JP4332167B2 - Quantum circuit for performing approximate quantum Fourier transform, approximate quantum Fourier transform calculation method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、近似量子フーリエ変換を行う量子回路、近似量子フーリエ変換の演算方法と演算装置に関する。より詳しくは、1量子ビット演算および近傍2量子ビット演算だけで構成された近似量子フーリエ変換を行う量子回路、演算方法、演算装置に関する。 The present invention relates to a quantum circuit that performs approximate quantum Fourier transform, a calculation method and a calculation apparatus for approximate quantum Fourier transform. More specifically, the present invention relates to a quantum circuit, an arithmetic method, and an arithmetic device that perform an approximate quantum Fourier transform composed of only one qubit operation and neighboring two qubit operations.
まず、量子フーリエ変換(quantum Fourier transform)について説明し、ついで、近傍2量子ビット演算(linear nearest neighbor quantum bit operation)で構成された近似でない量子フーリエ変換の量子回路について説明し、さらに、単一量子ビットに対する1量子ビット演算および隣り合う量子ビット間の量子ビット演算である近傍2量子ビット演算だけで構成された近似量子フーリエ変換(approximate quantum Fourier transform)の量子回路について説明する。
なお、本明細書では、計算量の評価をO記法に従って記す。
First, a quantum Fourier transform will be described, then a non-approximate quantum Fourier transform quantum circuit constructed by linear nearest neighbor quantum bit operation, and a single quantum A quantum circuit of an approximate quantum Fourier transform constituted only by a 1-qubit operation on a bit and a neighboring 2-qubit operation that is a qubit operation between adjacent qubits will be described.
In the present specification, the calculation amount is described according to the O notation.
<量子フーリエ変換QFT>
量子フーリエ変換については例えば非特許文献1に詳しい。ここでは、量子フーリエ変換について概説する。
量子ビット〔quantum bit;以下、qビット(qubit)とも云う。〕の正規直交系をなす基底状態である正規直交基底|0〉,|1〉,…,|N−1〉上の量子フーリエ変換は、基底状態に式(1)の作用をする線形オペレータとして定義される。ここでqビットの状態は、複素ベクトル空間のベクトルであり、計算基底状態(computational basis state)である。式(1)においてiは虚数単位(imaginary unit)であり、eはネピア数(Napier's constant;自然対数の底)である。なお、本明細書では、ネピア数eのp乗をexp(p)の如く表す場合がある。
For example,
Quantum bit (hereinafter referred to as q bit). ], The quantum Fourier transform on the orthonormal basis | 0>, | 1>,..., | N−1>, which is the ground state forming the orthonormal system of FIG. Defined. Here, the q-bit state is a vector in a complex vector space, which is a computational basis state. In Equation (1), i is an imaginary unit, and e is a Napier's constant (the base of natural logarithm). In the present specification, the p-th power of the Napier number e may be expressed as exp (p).
ここでN=2n、nは1以上の整数〔正整数〕とし、基底|0〉,|1〉,…,|2n−1〉はn個のqビットの量子コンピュータに対する計算基底状態とする。状態|b〉を2進数表現でb=bn−1bn−2…b1b0と書くとする。10進数表現では、b=bn−12n−1+bn−22n−2+…+b121+b020となる。2進少数表現を式(2)で定義する。なお、状態|v〉,|w〉のテンソル積を|v〉|w〉、|v,w〉、|vw〉などと表記する。
このとき、式(1)と式(3)は等価である。式(3)は、2nを法とする量子フーリエ変換の積表現である。以下、断りのない限り、量子フーリエ変換は、近似量子フーリエ変換または近似でない量子フーリエ変換を問わず、2の冪乗の数を法とする量子フーリエ変換であるとする。
式(3)で表される効率的な量子フーリエ変換を行う量子回路を、n=8の場合を例として図1に示す。一般的に量子回路では単一qビットに対する1量子ビット演算とCNOT(controlled-NOT)を基本演算とするが、量子回路が複雑になるのを避けるため、本明細書ではこれらの演算以外の演算も用いて量子回路を構成するものとして説明する。量子回路に使われる全ての演算は、単一qビットに対する1量子ビット演算とCNOTに分解できることに注意しなければならない〔非特許文献1参照〕。CNOTは、2つの入力qビットに対する2量子ビット演算である。
なお、非特許文献1では、図1に示される量子回路の最後の状態に対して交換操作を行ってqビットの状態を反転させたものを、量子フーリエ変換を行う量子回路として説明しているが、本明細書では、上記交換操作を行わない図1に示される量子回路をもって量子フーリエ変換の量子回路とする。これは、テンソル積で表される式(3)の表現の違いに基づくに過ぎない。
A quantum circuit that performs efficient quantum Fourier transform represented by Expression (3) is shown in FIG. 1 by taking n = 8 as an example. In general, a quantum circuit uses a single qubit operation on a single q bit and CNOT (controlled-NOT) as basic operations, but in this specification, operations other than these operations are performed to avoid the complexity of the quantum circuit. The quantum circuit will be described using the above. It should be noted that all operations used in the quantum circuit can be decomposed into one qubit operation for a single q bit and CNOT [see Non-Patent Document 1]. CNOT is a two-qubit operation on two input q bits.
Note that
n=8の場合の量子フーリエ変換QFT8は、入力状態|b7b6…b1b0〉に対して、出力状態(|0〉+exp(2πi0.b7b6…b1b0)|1〉)( |0〉+exp(2πi0.b6…b1b0)|1〉)…(|0〉+exp(2πi0.b0)|1〉)/2n/2を得る。図1は、入力状態と出力状態とを単一qビットごとの配線(wire)に分解して表したQFT8の量子回路を示している。図1において出力状態|φk(b)〉は、|φk(b)〉=(|0〉+exp(2πiΣm=0 k(bk−m/2m+1))|1〉)/21/2で表せる。但し、k=0,1,2,3,4,5,6,7である。
The quantum Fourier transform QFT8 in the case of n = 8 has an output state (| 0> + exp (2πi0.b 7 b 6 ... b 1 b 0 ) | with respect to an input state | b 7 b 6 ... b 1 b 0 >. 1>) (| 0> + exp (2πi0.b 6 ... B 1 b 0 ) | 1>)... (| 0> + exp (2πi0.b 0 ) | 1>) / 2 n / 2 . FIG. 1 shows a quantum circuit of
図1に現われる量子ゲートについて概説する。図1において、記号Hで表される量子ゲートはアダマールゲート(Hadamard gate)であり、アダマール変換が行われる。qビットの入力状態|x〉をアダマールゲートに通すと、出力状態(|0〉+(−1)x|1〉)/21/2が得られる〔図2参照〕。出力状態は、(|0〉+e2πi0.x|1〉)/21/2とも表せる。 The quantum gate appearing in FIG. 1 will be outlined. In FIG. 1, the quantum gate represented by the symbol H is a Hadamard gate, and Hadamard transformation is performed. When the q-bit input state | x> is passed through a Hadamard gate, an output state (| 0> + (− 1) x | 1>) / 2 1/2 is obtained [see FIG. 2]. The output state can also be expressed as (| 0> + e 2πi0.x | 1>) / 2 1/2 .
図1において、数字t=2,3,4,5,6,7,8で表される量子ゲートは制御フェイズシフトゲート(controlled phase shift gate)であり、式(4)で示す行列で表されるユニタリー変換が行われる。2つのqビットの入力状態|x〉および|y〉を制御フェイズシフトゲートに通すと、出力状態exp(2πixy/2t)|x〉|y〉が得られる〔図3参照〕。制御フェイズシフトゲートは、角度2π/2tの回転ゲートであり、以下では、数字tで表される制御フェイズシフトゲートの作用を、角度2π/2tの制御フェイズシフトと云うこともある。図3は、入力状態と出力状態とを単一qビットごとの配線に分解して表した量子回路を示している。なお、図3に示される制御フェイズシフトゲートは、図4に示される制御フェイズシフトゲートと等価であることに注意しなければならない。
<近傍2量子ビット演算で構成された近似でない量子フーリエ変換LNN−QFTの量子回路>
図1に示したQFT8の量子回路では、例えば最初の8個の計算ステップをみると、入力状態|b7b6…b1b0〉に対して、まず、最初の計算ステップで状態|b7〉にアダマール変換を作用させ、この作用で得られた中間状態(|0〉+exp(2πi0.b7)|1〉)/21/2|b6…b1b0〉に次の計算ステップで状態|b6〉に基づく制御フェイズシフトを作用させ、この作用で得られた中間状態(|0〉+exp(2πi0.b7b6)|1〉)/21/2|b6…b1b0〉に次の計算ステップで状態|b5〉に基づく制御フェイズシフトを作用させ、この作用で得られた中間状態(|0〉+exp(2πi0.b7b6b5)|1〉)/21/2|b6…b1b0〉に次の計算ステップで状態|b4〉に基づく制御フェイズシフトを作用させ、・・・中略・・・、この作用で得られた中間状態(|0〉+exp(2πi0.b7b6b5b4b3b2b1)|1〉)/21/2|b6…b1b0〉に次の計算ステップで状態|b0〉に基づく制御フェイズシフトを作用させる、といった処理が行われる。
<Quantum circuit of non-approximate quantum Fourier transform LNN-QFT composed of two neighboring qubit operations>
In the QFT8 quantum circuit shown in FIG. 1, for example, in the first eight calculation steps, the input state | b 7 b 6 ... B 1 b 0 > 7 > is subjected to the Hadamard transform, and the following calculation is performed on the intermediate state (| 0> + exp (2πi0.b 7 ) | 1>) / 2 1/2 | b 6 ... B 1 b 0 > obtained by this action. In step, the control phase shift based on the state | b 6 > is applied, and the intermediate state (| 0> + exp (2πi0.b 7 b 6 ) | 1>) / 2 1/2 | b 6 . The control phase shift based on the state | b 5 > is applied to b 1 b 0 > in the next calculation step, and the intermediate state (| 0> + exp (2πi0.b 7 b 6 b 5 ) | 1 obtained by this operation is applied. >) / 2 1/2 | control phase shifts based on a b 4> | b 6 ... state in the following
ここに明らかなように、直前の中間状態に制御フェイズシフトを作用させると、例えば最初の8個の計算ステップでは、その度に、状態|b7〉に基づいた状態|1〉の係数の位相に、制御フェイズシフトの標的qビット〔あるいは、制御qビットと言っても同様である(図4参照)。〕に相当する追加ビットが加わる。より一般的に、計算理論上は、このような演算に格別の問題は無いが、qビットの状態が物理的な状態であるところ、隣り合うqビットよりも離れたqビットに基づく作用を受けるとすると、一般的に演算誤りのリスクが高まる。そこで、隣り合う量子ビット間の量子ビット演算である近傍2量子ビット演算で量子フーリエ変換を行う量子回路を構成することが提案されている〔非特許文献2参照〕。 As is apparent here, when the control phase shift is applied to the immediately preceding intermediate state, for example, in the first eight calculation steps, the phase of the coefficient of the state | 1> based on the state | b 7 > each time In addition, the target q bits of the control phase shift [or the control q bits are the same (see FIG. 4). An additional bit corresponding to] is added. More generally, in calculation theory, there is no particular problem with such an operation, but when the q-bit state is a physical state, the operation is based on q-bits that are separated from adjacent q-bits. This generally increases the risk of computation errors. In view of this, it has been proposed to construct a quantum circuit that performs quantum Fourier transform by a neighboring 2-qubit operation that is a qubit operation between adjacent qubits [see Non-Patent Document 2].
ここでは、近傍2量子ビット演算で構成された近似でない量子フーリエ変換の量子回路について概説する。
近傍2量子ビット演算で構成された近似でない量子フーリエ変換の量子回路は、式(3)で表される効率的な量子フーリエ変換を行う量子回路に適宜にSWAP(swap operation; 交換演算)を施すことで得られる。n=8の場合を例として、図1に示したQFT8の量子回路を基にした、近傍2量子ビット演算で構成した近似でない量子フーリエ変換LNN−QFT8の量子回路を図5に示す。図5で使われているSWAPの量子回路を、図6に示す。SWAPの量子回路は、入力された2つのqビットの状態を交換する。図6に示したSWAPの量子回路には、3個のCNOTが使われている。CNOTの量子回路を、図7に示す。CNOTの量子回路は、最も基本的な2量子ビット演算を行ない、この意味でCNOTゲートと呼ばれる。CNOTゲートは、古典的XORゲートに対応しており、制御qビットの状態|x〉に応じて、標的qビットの状態|y〉に変更をもたらす。2準位系で簡潔に説明すれば、制御qビットの状態が|0〉であれば、標的qビットの状態|y〉に変更をもたらさず、制御qビットの状態が|1〉であれば、標的qビットの状態|y〉を反転させる。
Here, the quantum circuit of the non-approximation quantum Fourier transform comprised by the
The quantum circuit of the non-approximation quantum Fourier transform configured by the
図5に示すLNN−QFT8の量子回路では、INV(inverse operation; 交換操作)が各qビットの状態に対して施される。INVの量子回路を、図8に示す。図8では、qビットの入力状態|bs=7,6,…,0〉と混同しないように、状態を記号|as=7,6,…,0〉で表している。以下、入力状態|bs〉と区別して状態を一般的に表したい場合には、記号|as〉を用いる。
INVの量子回路は、入力qビットの状態の並びを逆順で並び替えて出力するものであり、この意味でINVゲートと呼ぶことにする。なお、近傍2量子ビット間でのSWAPだけで構成しないものとすれば、O(n/2)程度のSWAP回数となるようにINVの量子回路を構成できるが、図8では、近傍2量子ビット間でのSWAPだけで構成したINVの量子回路を示している。出力状態の順序を図1に示す量子回路の出力状態と同じにするために、図5に示すLNN−QFT8の量子回路ではINVゲートを使っている。INVゲートを用いたLNN−QFT8の量子回路における計算ステップ数と基本演算の個数は、INVゲートを用いないQFT8の量子回路のそれらと比較して、同じ程度のオーダで済む。一般に、INVゲートを用いたことによっても、LNN−QFTの量子回路が、QFTの量子回路に比して非効率的になっているのではないことに注意しなければならない。
In the quantum circuit of LNN-QFT8 shown in FIG. 5, INV (inverse operation) is applied to each q-bit state. An INV quantum circuit is shown in FIG. In FIG. 8, the state is represented by the symbol | a s = 7, 6,..., 0 > so as not to be confused with the q-bit input state | b s = 7, 6,. Hereinafter, the symbol | a s > is used when it is desired to generally represent the state in distinction from the input state | b s >.
An INV quantum circuit outputs an input q-bit state rearranged in the reverse order, and in this sense is called an INV gate. Note that if it is not configured with only SWAP between two neighboring qubits, an INV quantum circuit can be constructed so that the number of SWAPs is about O (n / 2). In FIG. 1 shows an INV quantum circuit composed only of SWAPs. In order to make the order of the output states the same as the output states of the quantum circuit shown in FIG. 1, the INN gate is used in the quantum circuit of LNN-QFT8 shown in FIG. The number of calculation steps and the number of basic operations in the LNN-QFT8 quantum circuit using the INV gate may be on the same order as those in the QFT8 quantum circuit not using the INV gate. In general, it should be noted that the use of INV gates does not make the LNN-QFT quantum circuit less efficient than the QFT quantum circuit.
近傍2量子ビット演算で構成された近似でない量子フーリエ変換LNN−QFTの量子回路(3)の構成方法を示しておく。
量子回路(3)へ入力されるn個のqビットの状態を|bn−1〉,…,|b0〉とし、それぞれのqビットを順に第1-qビット、…、第n-qビットと云うことにする。つまり、最上位の配線に相当するqビットを第1-qビットとし、最下位の配線に相当するqビットを第n-qビットとする。また、記載の便宜から、第(・)-qビットなどとも記載する。
A configuration method of the quantum circuit (3) of the non-approximation quantum Fourier transform LNN-QFT configured by the
The state of the n q bits input to the quantum circuit (3) | b n-1 >, ..., | a b 0>, the 1-q bits each q bits in sequence, ..., the n-q I'll call it a bit. That is, the q bit corresponding to the uppermost wiring is the 1-q bit, and the q bit corresponding to the lowest wiring is the n-q bit. For convenience of description, it is also described as the (·) -q bit.
《1》 g=1,…,nについて、順に、次の演算を行う量子回路とする。
[g=1の場合]
第1-qビットにアダマール変換を適用する。
[gが3以上の奇数の場合]
第1-qビットにアダマール変換を適用する。第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、jは3からgまでの奇数とし、gごとにアダマール変換および全てのjについての演算を並列に行う。
[gが偶数の場合]
第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う。
《2》 g=n−1,…,1について、順に、次の演算を行う量子回路とする。
[g=1の場合]
第1-qビットにアダマール変換を適用する。
[gが3以上の奇数の場合]
第1-qビットにアダマール変換を適用する。第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、jは3からgまでの奇数とし、gごとにアダマール変換および全てのjについての演算を並列に行う。
[gが偶数の場合]
第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う。
《3》 g=1,…,n−1について、順に、次の演算を行う量子回路とする。
[gが奇数の場合]
第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する。ただし、jは1からgまでの奇数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行う。
[gが偶数の場合]
第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する。ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行う。
《4》 g=n−2,…,1について、順に、次の演算を行う量子回路とする。
[gが奇数の場合]
第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する。ただし、jは1からgまでの奇数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行う。
[gが偶数の場合]
第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する。ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行う。
<< 1 >> For g = 1,..., N, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used.
[When g = 1]
Apply Hadamard transform to 1-q bits.
[When g is an odd number of 3 or more]
Apply Hadamard transform to 1-q bits. A control phase shift of angle 2π / 2 j is applied to the (j−1) -qth bit and the j-qth bit, and SWAP is applied to these q bits. However, j is an odd number from 3 to g, and Hadamard transform and operations for all j are performed in parallel for each g.
[If g is an even number]
A control phase shift of angle 2π / 2 j is applied to the (j−1) -qth bit and the j-qth bit, and SWAP is applied to these q bits. However, j is an even number from 2 to g, and operations for all j are performed in parallel for each g.
<< 2 >> For g = n−1,..., 1, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used.
[When g = 1]
Apply Hadamard transform to 1-q bits.
[When g is an odd number of 3 or more]
Apply Hadamard transform to 1-q bits. A control phase shift of angle 2π / 2 j is applied to the (j−1) -qth bit and the j-qth bit, and SWAP is applied to these q bits. However, j is an odd number from 3 to g, and Hadamard transform and operations for all j are performed in parallel for each g.
[If g is an even number]
A control phase shift of angle 2π / 2 j is applied to the (j−1) -qth bit and the j-qth bit, and SWAP is applied to these q bits. However, j is an even number from 2 to g, and operations for all j are performed in parallel for each g.
<< 3 >> For g = 1,..., N−1, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used.
[When g is an odd number]
SWAP is applied to the j-qth bit and the (j + 1) -q-th bit. However, j is an odd number from 1 to g, and SWAP for all j is performed in parallel for each g.
[If g is an even number]
SWAP is applied to the j-qth bit and the (j + 1) -q-th bit. However, j is an even number from 2 to g, and SWAP for all j is performed in parallel for each g.
<< 4 >> For g = n−2,..., 1, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used.
[When g is an odd number]
SWAP is applied to the j-qth bit and the (j + 1) -q-th bit. However, j is an odd number from 1 to g, and SWAP for all j is performed in parallel for each g.
[If g is an even number]
SWAP is applied to the j-qth bit and the (j + 1) -q-th bit. However, j is an even number from 2 to g, and SWAP for all j is performed in parallel for each g.
<1量子ビット演算および近傍2量子ビット演算だけで構成された近似量子フーリエ変換LNN−AQFTの量子回路>
近似の閾値がmである近似量子フーリエ変換を行う量子回路は、2nを法とする近似でない量子フーリエ変換を行う量子回路において、t>mを満たす制御フェイズシフトを恒等変換とみなした量子回路である〔ここでtは、制御フェイズシフトゲートの数字に対応する。〕。なお、mはnよりも小さい正整数である。
近傍2量子ビット演算で構成された近似でない量子フーリエ変換の量子回路でも同様であり、近似の閾値より大きい数字tで表される制御フェイズシフトを恒等変換とみなす。これによって得られた量子回路が、1量子ビット演算および近傍2量子ビット演算だけで構成された近似量子フーリエ変換の量子回路である〔非特許文献3参照〕。n=8の場合を例として、図5に示したLNN−QFT8の量子回路を基にした、1量子ビット演算および近傍2量子ビット演算だけで構成された近似量子フーリエ変換LNN−AQFT8の量子回路を図9に示す。図9に示したLNN−AQFT8の量子回路は、近似の閾値mが5の場合を示している。量子フーリエ変換の近似の閾値は、下限がO(logn)とされる〔非特許文献3参照〕。なお、図9において出力状態|φk(b)〉は、|φk(b)〉=(|0〉+exp(2πiΣm=0 4(bk−m/2m+1))|1〉)/21/2〔但し、k=5,6,7〕、|φk(b)〉=(|0〉+exp(2πiΣm=0 k(bk−m/2m+1))|1〉)/21/2〔但し、k=0,1,2,3,4〕で表せる。
このような近似量子フーリエ変換を行う量子回路における計算ステップ数と基本演算の個数は、LNN−QFTの量子回路やQFTの量子回路におけるそれらと比較して、同じ程度のオーダとなっている。
<Quantum Circuit of Approximate Quantum Fourier Transform LNN-AQFT Comprising Only 1 Qubit Operation and Near 2 Qubit Operation>
A quantum circuit that performs an approximate quantum Fourier transform with an approximate threshold value m is a quantum circuit that performs a non-approximate quantum Fourier transform modulo 2 n and regards a control phase shift satisfying t> m as an identity transform. [Where t corresponds to the number of the control phase shift gate. ]. Note that m is a positive integer smaller than n.
The same applies to a non-approximate quantum Fourier transform quantum circuit composed of two adjacent qubit operations, and a control phase shift represented by a number t larger than the approximate threshold is regarded as an identity transform. The quantum circuit thus obtained is an approximate quantum Fourier transform quantum circuit composed of only one qubit operation and neighboring two qubit operations [see Non-Patent Document 3]. Taking the case of n = 8 as an example, the quantum circuit of the approximate quantum Fourier transform LNN-AQFT8 composed of only one qubit operation and neighboring two qubit operations based on the LNN-QFT8 quantum circuit shown in FIG. Is shown in FIG. The quantum circuit of LNN-AQFT8 shown in FIG. 9 shows a case where the approximate threshold value m is 5. The lower limit of the approximation threshold of the quantum Fourier transform is O (logn) [see Non-Patent Document 3]. In FIG. 9, the output state | φ k (b)> is | φ k (b)> = (| 0> + exp (2πiΣ m = 0 4 (b k−m / 2 m + 1 )) | 1>) / 2 1/2 [where k = 5, 6, 7], | φ k (b)> = (| 0> + exp (2πiΣ m = 0 k (b k−m / 2 m + 1 )) | 1>) / 2 1/2 [where k = 0, 1, 2, 3, 4].
The number of calculation steps and the number of basic operations in the quantum circuit that performs such approximate quantum Fourier transform are on the same order as those in the LNN-QFT quantum circuit and the QFT quantum circuit.
ここでの説明は、n=8の場合、つまり8qビットの場合で説明したが、一般のn-qビットの場合に拡張できる〔8qビット未満の場合は、8qビットの場合に内包されている。〕。
以上に説明した近似量子フーリエ変換の従来の量子回路は、近似の閾値をO(logn)とし、単一量子ビットに対する1量子ビット演算と近傍2量子ビット演算だけを使うとき、O(n)個の計算ステップ数(depth)およびO(n2)個の基本演算(size)を用いて近似量子フーリエ変換を実現する。 The conventional quantum circuit of the approximate quantum Fourier transform described above has an approximate threshold value of O (logn), and uses only one qubit operation for a single qubit and two neighboring qubit operations, and O (n). Approximate quantum Fourier transform is realized using the number of calculation steps (depth) and O (n 2 ) basic operations (size).
ところで、基本演算の個数が多いほど演算誤りが発生する可能性が大きくなるため、基本演算の個数はできるだけ少ないほうが良い。また、少ない計算時間のためには計算ステップ数は少ない方がよい。 By the way, the larger the number of basic operations, the greater the possibility that an operation error will occur. Therefore, the number of basic operations should be as small as possible. Also, for a short calculation time, it is better that the number of calculation steps is small.
そこで本発明は、O(n)個の計算ステップ数でありながら、従来よりも少ないオーダの基本演算の個数で実現する、1量子ビット演算および近傍2量子ビット演算だけで構成された近似量子フーリエ変換を行う量子回路、近似量子フーリエ変換演算方法と演算装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides an approximate quantum Fourier which is composed of only one qubit operation and two neighboring qubit operations, which is realized by the number of basic operations on the order of less than the conventional one, although the number of calculation steps is O (n). It is an object of the present invention to provide a quantum circuit that performs transformation, an approximate quantum Fourier transform computation method, and a computation device.
上記課題を解決するために、本発明の量子回路は、次のような構成とされる。即ち、近似の閾値を正整数nよりも小さい正整数mとし、2nを法とする近似量子フーリエ変換を行う量子回路であって、n個のqビットである第1-qビット、…、第n-qビットに対して、nが偶数の場合、《1》第1-qビットから第(n/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成し、《2》g=2,…,n/2+1について、順に、第(n/2−g+2j)-qビットと第(n/2−g+2j+1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、《3》g=n/2+2,…,nについて、順に、第(g−n/2+2j−2)-qビットと第(g−n/2+2j−1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、《4》g=n,…,n/2+2について、順に、第(g−n/2+2j−2)-qビットと第(g−n/2+2j−1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、《5》g=n/2+1,…,2について、順に、第(n/2−g+2j)-qビットと第(n/2−g+2j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、《6》第(n/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成し、nが奇数の場合、パターン1またはパターン2のいずれかで、(パターン1)《1》第1-qビットから第((n+1)/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2(n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成し、《2》g=2,…,(n+1)/2について、順に、第((n+1)/2−g+2j)-qビットと第((n+1)/2−g+2j+1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、《3》g=(n+1)/2+1,…,nについて、順に、第(g−(n+1)/2+2j−2)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j−1)ビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、《4》g=n,…,(n+1)/2+1について、順に、第(g−(n+1)/2+2j−2)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《5》g=(n+1)/2,…,2について、順に、第((n+1)/2−g+2j)-qビットと第((n+1)/2−g+2j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、《6》第((n+1)/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2 (n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成し、(パターン2)《1》第1-qビットから第((n−1)/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2(n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成し、《2》g=2,…,(n+1)/2について、順に、第((n+1)/2−g+2j−1)-qビットと第((n+1)/2−g+2j)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、《3》g=(n+1)/2+1,…,nについて、順に、第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j)ビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、《4》g=n,…,(n+1)/2+1について、順に、第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、《5》g=(n+1)/2,…,2について、順に、第((n+1)/2−g+2j−1)-qビットと第((n+1)/2−g+2j)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、《6》第((n−1)/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2 (n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成し、n=1の場合、第1-qビットにアダマール変換を適用する量子回路を構成し、上記の手順で構成された量子回路において、2nより小さく2mより大きい数2Bを法とする量子フーリエ変換の量子回路については、このBを新たなnと看做して、上記の場合分けに従った手順で量子回路を構成し、2m以下の数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路Aについては、量子回路Aへ入力されるN個のqビットである第1-qビット、…、第N-qビットに対して、《1》g=1,…,Nについて、順に、g=1の場合、第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子回路を構成し、gが3以上の奇数の場合、第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子回路を構成し、第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは3からgまでの奇数とし、gごとに第1-qビットに対するアダマール変換および全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、gが偶数の場合、第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、《2》g=N−1,…,1について、順に、g=1の場合、第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子回路を構成し、gが3以上の奇数の場合、第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子回路を構成し、第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは3からgまでの奇数とし、gごとに第1-qビットに対するアダマール変換および全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、gが偶数の場合、第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、《3》g=1,…,N−1について、順に、gが奇数の場合、第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは1からgまでの奇数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行う量子回路とする。〕、gが偶数の場合、第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行う量子回路とする。〕、《4》g=N−2,…,1について、順に、gが奇数の場合、第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは1からgまでの奇数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行う量子回路とする。〕、gが偶数の場合、第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行う量子回路とする。〕、これまでの手順で構成された量子回路において、角度2π/2t(t>m)の制御フェイズシフトを恒等変換に置換し、角度2π/2t(t=m)の制御フェイズシフトの直後のSWAPおよび恒等変換とされた制御フェイズシフトの直後のSWAPの各演算を行う量子回路Cと、上記SWAP量子回路において量子回路Cの鏡像対称の量子回路部分とを相殺して構成された近似量子フーリエ変換を行う量子回路とする。
In order to solve the above problems, the quantum circuit of the present invention has the following configuration. That is, a quantum circuit that performs an approximate quantum Fourier transform using an approximate threshold as a positive integer m smaller than a positive integer n and modulo 2 n , wherein the first q bits, which are n q bits,. When n is an even number with respect to the n-q bits, << 1 >> modulo 2 n / 2 composed of 2 qubit operations in the vicinity from the 1-q bit to the (n / 2) -q bit A quantum circuit that performs a quantum Fourier transform as follows: << 2 >> For g = 2,..., N / 2 + 1, in order, the (n / 2−g + 2j) −q bits and the (n / 2−g + 2j + 1) − A quantum circuit that performs an operation of applying a control phase shift of an angle 2π / 2 g to q bits and further applying SWAP to these q bits is configured [where j = 1,. In addition, a quantum circuit that performs operations for all j in parallel. , <3> For g = n / 2 + 2,..., N, the angle is 2π / 2 from the (g−n / 2 + 2j−2) −q bit and the (g−n / 2 + 2j−1) −q bit in order. A quantum circuit that performs an operation of applying a control phase shift of g and applying SWAP to these q bits is configured [where j = 1,..., n + 1−g, and operations for all j are performed for each g. Is a quantum circuit that performs in parallel. ], << 4 >> For g = n,..., N / 2 + 2, SWAP is applied to the (g−n / 2 + 2j−2) −q bit and the (g−n / 2 + 2j−1) −q bit in order. A SWAP quantum circuit that performs an operation is configured [where j = 1,..., N + 1−g, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ], << 5 >> For g = n / 2 + 1,..., 2, SWAP that performs the operation of applying SWAP to the (n / 2−g + 2j) −q bits and the (n / 2−g + 2j + 1) −q bits in order. A quantum circuit is configured [where j = 1,..., G−1, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ], <6> Construct a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 n / 2 composed of neighboring 2 qubit operations from the (n / 2 + 1) -q bit to the n-q bit, When n is an odd number, in either
<< 5 >> For g = (n + 1) / 2,..., 2, SWAP is sequentially applied to the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits and the ((n + 1) / 2−g + 2j + 1) −q bits. A SWAP quantum circuit that performs an operation is configured [where j = 1,..., G−1, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ], << 6 >> For the ((n + 1) / 2 + 1) -q bits to the n-q bits, quantum Fourier transform modulo 2 (n-1) / 2 configured by neighboring 2 qubit operations is performed. A quantum circuit is configured, and (pattern 2) << 1 >> 2 (n-1) / 1 configured from the 1st -q bit to the ((n-1) / 2) -q bit by neighboring 2 qubit operations. A quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 is constructed, and << 2 >> g = 2,..., (N + 1) / 2, in order, ((n + 1) / 2−g + 2j−1) −q bits A quantum circuit that performs an operation of applying a control phase shift of an angle 2π / 2 g to the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits and applying SWAP to these q bits is configured [where j = 1,..., G−1, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ], << 3 >> For g = (n + 1) / 2 + 1,..., N, in order, the angle 2π between the (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) −q bits and the (g− (n + 1) / 2 + 2j) bits. / 2 A quantum circuit that performs an operation of applying a control phase shift of g and applying SWAP to these q bits is configured [where j = 1,..., N + 1−g, and for all j for each g A quantum circuit that performs the above operations in parallel. , <4> g = n,..., (N + 1) / 2 + 1, in order, to (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) −q bits and (g− (n + 1) / 2 + 2j) −q bits, respectively. A SWAP quantum circuit that performs an operation applying SWAP is configured [where j = 1,..., N + 1−g, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ], << 5 >> g = (n + 1) / 2,..., 2 in order of ((n + 1) / 2−g + 2j−1) −q bits and ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits A SWAP quantum circuit that performs an operation applying SWAP is configured [where j = 1,..., G−1, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ], << 6 >> For the ((n-1) / 2 + 1) -q bits to the n-q bits, a quantum Fourier transform modulo 2 (n + 1) / 2 composed of neighboring 2-qubit operations is performed. A quantum circuit is constructed, and when n = 1, a quantum circuit that applies Hadamard transform to the 1-q bits is constructed, and in the quantum circuit constructed by the above procedure, the
上記課題を解決するために、本発明の近似量子フーリエ変換演算方法は、次のような方法とされる。即ち、上記記載の近似量子フーリエ変換を行う量子回路に則り、入力された第1-qビットの状態|bn−1〉,…,第n-qビットの状態|b0〉に対して近似量子フーリエ変換を行う近似量子フーリエ変換演算方法とする。 In order to solve the above problems, the approximate quantum Fourier transform calculation method of the present invention is the following method. That is, according to the quantum circuit that performs the approximate quantum Fourier transform described above, it approximates to the input 1-q-bit state | b n-1 >, ..., n-q-bit state | b 0 >. An approximate quantum Fourier transform calculation method for performing quantum Fourier transform is used.
上記課題を解決するために、本発明の近似量子フーリエ変換演算装置は、次のような構成とされる。即ち、近似の閾値を正整数nよりも小さい正整数mとし、2nを法とする近似量子フーリエ変換を行う近似量子フーリエ変換演算装置が演算対象とするn個のqビットである第1-qビット、…、第n-qビットに対して、nが偶数の場合、《1》第1-qビットから第(n/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部を備え、《2》g=2,…,n/2+1について、順に、第(n/2−g+2j)-qビットと第(n/2−g+2j+1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《3》g=n/2+2,…,nについて、順に、第(g−n/2+2j−2)-qビットと第(g−n/2+2j−1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《4》g=n,…,n/2+2について、順に、第(g−n/2+2j−2)-qビットと第(g−n/2+2j−1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《5》g=n/2+1,…,2について、順に、第(n/2−g+2j)-qビットと第(n/2−g+2j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《6》第(n/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部を備え、nが奇数の場合、パターン1またはパターン2のいずれかで、(パターン1)《1》第1-qビットから第((n+1)/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2(n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部を備え、《2》g=2,…,(n+1)/2について、順に、第((n+1)/2−g+2j)-qビットと第((n+1)/2−g+2j+1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《3》g=(n+1)/2+1,…,nについて、順に、第(g−(n+1)/2+2j−2)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j−1)ビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《4》g=n,…,(n+1)/2+1について、順に、第(g−(n+1)/2+2j−2)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《5》g=(n+1)/2,…,2について、順に、第((n+1)/2−g+2j)-qビットと第((n+1)/2−g+2j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《6》第((n+1)/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2 (n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部を備え、(パターン2)《1》第1-qビットから第((n−1)/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2(n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部を備え、《2》g=2,…,(n+1)/2について、順に、第((n+1)/2−g+2j−1)-qビットと第((n+1)/2−g+2j)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《3》g=(n+1)/2+1,…,nについて、順に、第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j)ビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《4》g=n,…,(n+1)/2+1について、順に、第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《5》g=(n+1)/2,…,2について、順に、第((n+1)/2−g+2j−1)-qビットと第((n+1)/2−g+2j)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《6》第((n−1)/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2 (n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部を備え、n=1の場合、第1-qビットにアダマール変換を適用する量子演算部を備え、上記の手順で構成された量子演算装置において、2nより小さく2mより大きい数2Bを法とする量子フーリエ変換の量子演算部については、このBを新たなnと看做して、上記の場合分けに従った手順で量子演算部を構成し、2m以下の数を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部Dについては、量子演算部Dへ入力されるN個のqビットである第1-qビット、…、第N-qビットに対して、《1》g=1,…,Nについて、順に、g=1の場合、第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子演算部を備え、gが3以上の奇数の場合、第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子演算部を備え、第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、jは3からgまでの奇数とし、gごとに第1-qビットに対するアダマール変換および全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、gが偶数の場合、第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《2》g=N−1,…,1について、順に、g=1の場合、第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子演算部を備え、gが3以上の奇数の場合、第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子演算部を備え、第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、jは3からgまでの奇数とし、gごとに第1-qビットに対するアダマール変換および全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、gが偶数の場合、第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、《3》g=1,…,N−1について、順に、gが奇数の場合、第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、jは1からgまでの奇数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行うものとする。〕、gが偶数の場合、第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行うものとする。〕、《4》g=N−2,…,1について、順に、gが奇数の場合、第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、jは1からgまでの奇数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行うものとする。〕、gが偶数の場合、第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行うものとする。〕、以上に従って構成された近似量子フーリエ変換演算装置において、角度2π/2t(t>m)の制御フェイズシフトを行う量子演算部を、恒等変換を行う量子演算部に置換し、角度2π/2t(t=m)の制御フェイズシフトの直後のSWAPおよび恒等変換とされた制御フェイズシフトの直後のSWAPの各演算を行う量子演算部Eと、上記SWAP演算部において量子演算部Eの鏡像対称の量子演算部とを備えずに構成された近似量子フーリエ変換演算装置とする。
In order to solve the above-described problems, the approximate quantum Fourier transform arithmetic unit of the present invention is configured as follows. That is, the approximation threshold is set to a positive integer m smaller than the positive integer n, and an approximate quantum Fourier transform arithmetic unit that performs an approximate quantum Fourier transform modulo 2 n is the first q − When n is an even number with respect to the q-bit,..., n-q bits, << 1 >> 2 from the first-q bits to the (n / 2) -q bits are composed of 2 neighboring qubit operations. a quantum operation unit that performs quantum Fourier transform modulo n / 2 , and << 2 >> g = 2,..., n / 2 + 1, in order, (n / 2−g + 2j) −q bits and (n / 2−g + 2j + 1) −q bits are provided with a quantum operation unit that applies a control phase shift with an angle of 2π / 2 g and further applies SWAP to these q bits [where j = 1,..., G− It is assumed that the calculation for all j is performed in parallel for each g. , <3> For g = n / 2 + 2,..., N, the angle is 2π / 2 from the (g−n / 2 + 2j−2) −q bit and the (g−n / 2 + 2j−1) −q bit in order. a quantum operation unit that applies a control phase shift of g , and further performs an operation of applying SWAP to these q bits [provided that j = 1,..., n + 1−g, and operations for all j for each g Are performed in parallel. ], << 4 >> For g = n,..., N / 2 + 2, SWAP is applied to the (g−n / 2 + 2j−2) −q bit and the (g−n / 2 + 2j−1) −q bit in order. A SWAP calculation unit for performing calculations is provided [where j = 1,..., N + 1−g, and calculations for all j are performed in parallel for each g. ], << 5 >> For g = n / 2 + 1,..., 2, SWAP that performs the operation of applying SWAP to the (n / 2−g + 2j) −q bits and the (n / 2−g + 2j + 1) −q bits in order. An arithmetic unit is provided [where j = 1,..., G−1, and arithmetic operations for all j are performed in parallel for each g. ], <6> a quantum operation unit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 n / 2 configured by neighboring 2 qubit operations from the (n / 2 + 1) -q bit to the n-q bit, When n is an odd number, in either pattern 1 or pattern 2, (pattern 1) << 1 >> from 1st-qth bit to (n + 1) / 2) -qth bit is composed of neighboring 2 qubit operations 2 (n + 1) / 2 modulo, and a quantum operation unit for performing a quantum Fourier transform modulo 2 (n + 1) / 2, and << (2) g = 2, ..., (n + 1) / 2, in order ((n + 1) / 2-g + 2j) a quantum operation unit that applies a control phase shift of an angle of 2π / 2 g to the -q bits and the ((n + 1) / 2-g + 2j + 1) -q bits, and further performs an operation of applying SWAP to these q bits [ However, j = 1,..., G-1 and for every j for every g And performs operations in parallel. , << 3 >> g = (n + 1) / 2 + 1,..., N in order of (g− (n + 1) / 2 + 2j−2) -q bits and (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) bits A quantum operation unit that applies a control phase shift with an angle of 2π / 2 g and further performs an operation of applying SWAP to these q bits is provided [where j = 1,..., N + 1−g, It is assumed that operations on j are performed in parallel. ], << 4 >> For g = n,..., (N + 1) / 2 + 1, in order, the (g− (n + 1) / 2 + 2j−2) −q bits and the (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) −q A SWAP operation unit that performs an operation that applies SWAP to bits is provided [where j = 1,..., N + 1−g, and operations for all j are performed in parallel for each g. ], << 5 >> For g = (n + 1) / 2,..., 2, SWAP is sequentially applied to the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits and the ((n + 1) / 2−g + 2j + 1) −q bits. A SWAP operation unit that performs an operation to be applied is provided [where j = 1,..., G−1, and operations for all j are performed in parallel for each g. ], << 6 >> For the ((n + 1) / 2 + 1) -q bits to the n-q bits, quantum Fourier transform modulo 2 (n-1) / 2 configured by neighboring 2 qubit operations is performed. comprising a quantum computation unit, (pattern 2) "1" first from the 1-q-bit ((n-1) / 2) for up to -q bit was composed of two neighboring
本発明に拠れば、近似の閾値をO(logn)とし、近傍2量子ビット演算を用いて、O(n)個の計算ステップ数とO(nlogn)個の基本演算で近似量子フーリエ変換を行うことができる。また、基本演算の個数が従来よりも低減するから、演算誤りの発生する可能性を低減できる。
According to the present invention, an approximate threshold is set to O (logn), and an approximate quantum Fourier transform is performed with O (n) number of calculation steps and O (nlogn) number of basic operations by using a
〔量子回路〕
まず、近似量子フーリエ変換を行う本発明の量子回路(1)を説明する。
近似量子フーリエ変換を行う量子回路(1)は、単一量子ビットに対する1量子ビット演算とCNOTを基本演算とするが、量子回路が複雑になるのを避けるため、これらの演算以外の演算も使って量子回路を構成するものとして説明する。本発明の量子回路に使われる全ての演算は、単一量子ビットに対する1量子ビット演算とCNOTに分解できることに注意しなければならない〔上記非特許文献1参照〕。
[Quantum circuit]
First, the quantum circuit (1) of the present invention that performs approximate quantum Fourier transform will be described.
The quantum circuit (1) that performs the approximate quantum Fourier transform uses a single qubit operation for a single qubit and CNOT as basic operations. The description will be made assuming that the quantum circuit is configured. It should be noted that all operations used in the quantum circuit of the present invention can be decomposed into one qubit operation for a single qubit and CNOT [see
近似量子フーリエ変換を行う量子回路(1)は、近傍2量子ビット演算で構成されていない、近似でない量子フーリエ変換の量子回路(2)〔下記参考文献参照〕と、上述した近傍2量子ビット演算で構成された近似でない量子フーリエ変換の量子回路(3)に基づいて構成される。
(参考文献) R. Cleve and J. Watrous, "Fast parallel circuits for the quantum Fourier transform", Proc. of the 4lst Annual Symposium on Foundations of Computer Science, pp.526-536, 2000.
The quantum circuit (1) that performs the approximate quantum Fourier transform includes the non-approximate quantum Fourier transform quantum circuit (2) [see the following reference] that is not configured by the neighborhood 2-qubit operation and the above-described neighborhood 2-qubit operation. It is based on the quantum circuit (3) of the non-approximation quantum Fourier transform comprised by.
(Reference) R. Cleve and J. Watrous, "Fast parallel circuits for the quantum Fourier transform", Proc. Of the 4lst Annual Symposium on Foundations of Computer Science, pp.526-536, 2000.
まず、近傍2量子ビット演算で構成されていない、近似でない量子フーリエ変換の量子回路(2)について説明する。量子回路(2)は自己相似的(self-similar)に構成される。即ち、或るXを法とする近似でない量子フーリエ変換を行う量子回路を、Xより小さい数を法とする近似でない量子フーリエ変換を行う量子回路に分解することによって構成する。この構成の仕方は、正確には次のとおりである。
なお、量子回路(2)が行う近似でない量子フーリエ変換は、式(3)で表される量子フーリエ変換であるが、自己相似的に構成されることを考慮して、量子回路(2)が行う近似でない量子フーリエ変換をQFT−SSと表記する。
First, a non-approximate quantum Fourier transform quantum circuit (2) that is not constituted by the neighborhood 2-qubit operation will be described. The quantum circuit (2) is configured to be self-similar. That is, a quantum circuit that performs non-approximation quantum Fourier transform modulo a certain X is decomposed into a quantum circuit that performs non-approximation quantum Fourier transform modulo a number smaller than X. The configuration is precisely as follows.
The quantum Fourier transform that is not approximated by the quantum circuit (2) is the quantum Fourier transform represented by the equation (3), but considering that the quantum circuit (2) is configured in a self-similar manner, A non-approximate quantum Fourier transform to be performed is denoted as QFT-SS.
[nが偶数の場合]
n2/4個の制御フェイズシフトと2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路2つから構成する。
より具体的には、2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う2つの量子回路は、上位〔線形な量子フーリエ変換を行う量子回路における上半分の配線に対応する。〕のn/2個のqビットに対する2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路と、下位〔線形な量子フーリエ変換を行う量子回路における下半分の配線に対応する。〕のn/2個のqビットに対する2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路とであり、n2/4個の制御フェイズシフトを含む量子回路は、2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う2つの量子回路に挟まれた構成である。
[When n is an even number]
constituting from quantum circuits two performing quantum Fourier transform to n 2/4 pieces of control phase shifting and 2 n / 2 modulo.
More specifically, the two quantum circuits that perform the quantum Fourier transform modulo 2 n / 2 correspond to the upper half [the upper half wiring in the quantum circuit that performs the linear quantum Fourier transform. ] Corresponding to the lower half wiring in a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 n / 2 with respect to n / 2 q bits, and a lower [quantum circuit that performs a linear quantum Fourier transform. ] Sequence by the quantum circuit that performs quantum Fourier transform to 2 n / 2 modulo for n / 2 pieces of q bits, a quantum circuit including the n 2/4 pieces of control phase shift, modulo 2 n / 2 The structure is sandwiched between two quantum circuits that perform quantum Fourier transform.
[nが奇数の場合]
(n−1)(n+1)/4個の制御フェイズシフトと2(n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路と2(n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路とから構成する。
より具体的には、2つの構成が可能である。
1つ目〔パターン1〕は、2(n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を、上位〔線形な量子フーリエ変換を行う量子回路における上側の配線に対応する。〕の(n+1)/2個のqビットに対する2(n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路とし、2(n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を、下位〔線形な量子フーリエ変換を行う量子回路における下側の配線に対応する。〕の(n−1)/2個のqビットに対する2(n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路とし、(n−1)(n+1)/4個の制御フェイズシフトを含む量子回路は、2(n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路と2(n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路とに挟まれた構成である。
2つ目〔パターン2〕は、2(n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を、下位〔線形な量子フーリエ変換を行う量子回路における下側の配線に対応する。〕の(n+1)/2個のqビットに対する2(n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路とし、2(n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を、上位〔線形な量子フーリエ変換を行う量子回路における上側の配線に対応する。〕の(n−1)/2個のqビットに対する2(n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路とし、(n−1)(n+1)/4個の制御フェイズシフトを含む量子回路は、2(n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路と2(n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路とに挟まれた構成である。
[When n is an odd number]
(n-1) (n + 1) / 4 control phase shift and quantum circuit for performing a quantum Fourier transform modulo 2 (n + 1) / 2 and a quantum Fourier transform modulo 2 (n-1) / 2 It consists of a quantum circuit to perform.
More specifically, two configurations are possible.
The first [Pattern 1] corresponds to a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 (n + 1) / 2 , and corresponds to an upper wiring in a quantum circuit that performs a linear quantum Fourier transform. And a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 (n-1) / 2 with respect to (n + 1) / 2 q bits Corresponds to the lower wiring in the quantum circuit that performs linear quantum Fourier transform. ) Of (n-1) / 2 q bits, a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 (n-1) / 2 , and (n-1) (n + 1) / 4 control phase shifts The quantum circuit including the structure is sandwiched between a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 (n + 1) / 2 and a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 (n-1) / 2. is there.
The second [pattern 2] corresponds to the lower wiring in the quantum circuit that performs the quantum Fourier transform modulo 2 (n + 1) / 2 , and the lower [quantum circuit that performs the linear quantum Fourier transform. And a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 (n-1) / 2 with respect to (n + 1) / 2 q bits Corresponds to the upper wiring in the quantum circuit that performs linear quantum Fourier transform. ) Of (n-1) / 2 q bits, a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 (n-1) / 2 , and (n-1) (n + 1) / 4 control phase shifts The quantum circuit including the structure is sandwiched between a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 (n + 1) / 2 and a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 (n-1) / 2. is there.
[n=1の場合]
アダマールゲートのみで構成する。つまり、1量子ビット演算を行う量子回路として構成される。
[When n = 1]
It consists only of Hadamard Gate. That is, it is configured as a quantum circuit that performs one qubit operation.
より小さい数2Bを法とする量子フーリエ変換の量子回路については、このBを新たなnと看做して、上記の場合分けに従って、自己相似的に分解して構成する。例えば、nが偶数の場合では、2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路について、n/2を新たなnと看做して上記の場合分けに従って、自己相似的に分解して構成する。
The quantum circuit of the quantum Fourier transform modulo the
以下、量子回路(2)の3つの具体例を示す。
図10に、n=8の場合であるQFT8−SSの量子回路(2)を示す。QFT8−SSの量子回路(2)は、[nが偶数の場合]で説明した方法に従って、図10に示すように、28/2を法とする量子フーリエ変換QFT4−SSを行う量子回路2つと16個の制御フェイズシフトゲートとから構成される。図10に示す量子回路(2)は、図1に示すQFT8の量子回路と実質的に同じであることに注意しなければならない。
28/2を法とする量子フーリエ変換QFT4−SSを行う量子回路は、[nが偶数の場合]で説明した方法に従って、図11に示すように、24/2を法とする量子フーリエ変換QFT2−SSを行う量子回路2つと4個の制御フェイズシフトゲートとから構成される。
24/2を法とする量子フーリエ変換QFT2−SSを行う量子回路は、[nが偶数の場合]で説明した方法に従って、図12に示すように、22/2を法とする量子フーリエ変換QFT1−SSを行う量子回路2つと1個の制御フェイズシフトゲートとから構成される。
22/2を法とする量子フーリエ変換QFT1−SSを行う量子回路は、[n=1の場合]で説明した方法に従って、図13に示すように、アダマールゲート1個から構成される。
Hereinafter, three specific examples of the quantum circuit (2) will be shown.
FIG. 10 shows a QFT8-SS quantum circuit (2) in the case of n = 8. The quantum circuit (2) of the QFT8-SS is a
The quantum circuit that performs the quantum Fourier transform QFT4-SS modulo 2 8/2 has a quantum Fourier modulo 2 4/2 according to the method described in [when n is an even number], as shown in FIG. It consists of two quantum circuits that perform the transformation QFT2-SS and four control phase shift gates.
Quantum circuit for performing quantum Fourier transform QFT2-SS for the 2 4/2 and law, according to the method [n is an even number] described, as shown in FIG. 12, the quantum Fourier for a 2 2/2 modulo It consists of two quantum circuits that perform transformation QFT1-SS and one control phase shift gate.
Quantum circuit for performing quantum Fourier transform QFT1-SS for the 2 2/2 and law, according to the method described in [the case of n = 1], as shown in FIG. 13, and one Hadamard gate.
図14に、n=7の場合であるQFT7−SSの〔パターン1〕の量子回路(2)を示す。QFT7−SSの〔パターン1〕の量子回路(2)は、[nが奇数の場合]の〔パターン1〕で説明した方法に従って、図14に示すように、28/2を法とする量子フーリエ変換QFT4−SSを行う量子回路と、26/2を法とする量子フーリエ変換QFT3−SSを行う量子回路と、12個の制御フェイズシフトゲートとから構成される。
28/2を法とする量子フーリエ変換QFT4−SSを行う量子回路は、[nが偶数の場合]で説明した方法に従って、図11に示すように、24/2を法とする量子フーリエ変換QFT2−SSを行う量子回路2つと4個の制御フェイズシフトゲートとから構成される。
26/2を法とする量子フーリエ変換QFT3−SSを行う量子回路は、[nが奇数の場合]の〔パターン1〕で説明した方法に従って、図15に示すように、24/2を法とする量子フーリエ変換QFT2−SSを行う量子回路と、22/2を法とする量子フーリエ変換QFT1−SSを行う量子回路と、2個の制御フェイズシフトゲートとから構成される。
24/2を法とする量子フーリエ変換QFT2−SSを行う量子回路は、[nが偶数の場合]で説明した方法に従って、図12に示すように、22/2を法とする量子フーリエ変換QFT1−SSを行う量子回路2つと1個の制御フェイズシフトゲートとから構成される。
22/2を法とする量子フーリエ変換QFT1−SSを行う量子回路は、[n=1の場合]で説明した方法に従って、図13に示すように、アダマールゲート1個から構成される。
FIG. 14 shows a QFT7-SS [pattern 1] quantum circuit (2) in the case of n = 7. Quantum circuit [Pattern 1] of QFT7-SS (2), according to the method described in [Pattern 1] of [if n is odd, as shown in FIG. 14, the quantum of the 2 8/2 modulo a quantum circuit that performs Fourier transform QFT4-SS, a quantum circuit that performs quantization Fourier transform QFT3-SS for the 2 6/2 modulo composed of twelve control phase shift gate.
The quantum circuit that performs the quantum Fourier transform QFT4-SS modulo 2 8/2 has a quantum Fourier modulo 2 4/2 according to the method described in [when n is an even number], as shown in FIG. It consists of two quantum circuits that perform the transformation QFT2-SS and four control phase shift gates.
The quantum circuit that performs the quantum Fourier transform QFT3-SS modulo 2 6/2 has 2 4/2 as shown in FIG. 15 according to the method described in [Pattern 1] of [when n is an odd number]. a quantum circuit that performs quantization Fourier transform QFT2-SS modulo, and a quantum circuit that performs quantization Fourier transform QFT1-SS for the 2 2/2 modulo composed of a two control phase shift gate.
Quantum circuit for performing quantum Fourier transform QFT2-SS for the 2 4/2 and law, according to the method [n is an even number] described, as shown in FIG. 12, the quantum Fourier for a 2 2/2 modulo It consists of two quantum circuits that perform transformation QFT1-SS and one control phase shift gate.
Quantum circuit for performing quantum Fourier transform QFT1-SS for the 2 2/2 and law, according to the method described in [the case of n = 1], as shown in FIG. 13, and one Hadamard gate.
図16に、n=7の場合であるQFT7−SSの〔パターン2〕の量子回路(2)を示す。QFT7−SSの〔パターン2〕の量子回路(2)は、[nが奇数の場合]の〔パターン2〕で説明した方法に従って、図16に示すように、26/2を法とする量子フーリエ変換QFT3−SSを行う量子回路と、28/2を法とする量子フーリエ変換QFT4−SSを行う量子回路と、12個の制御フェイズシフトゲートとから構成される。
28/2を法とする量子フーリエ変換QFT4−SSを行う量子回路は、[nが偶数の場合]で説明した方法に従って、図11に示すように、24/2を法とする量子フーリエ変換QFT2−SSを行う量子回路2つと4個の制御フェイズシフトゲートとから構成される。
26/2を法とする量子フーリエ変換QFT3−SSを行う量子回路は、[nが奇数の場合]の〔パターン2〕で説明した方法に従って、図17に示すように、22/2を法とする量子フーリエ変換QFT1−SSを行う量子回路と、24/2を法とする量子フーリエ変換QFT2−SSを行う量子回路と、2個の制御フェイズシフトゲートとから構成される。
24/2を法とする量子フーリエ変換QFT2−SSを行う量子回路は、[nが偶数の場合]で説明した方法に従って、図12に示すように、22/2を法とする量子フーリエ変換QFT1−SSを行う量子回路2つと1個の制御フェイズシフトゲートとから構成される。
22/2を法とする量子フーリエ変換QFT1−SSを行う量子回路は、[n=1の場合]で説明した方法に従って、図13に示すように、アダマールゲート1個から構成される。
FIG. 16 shows a QFT7-SS [pattern 2] quantum circuit (2) in the case of n = 7. According to the method described in [Pattern 2] of [When n is an odd number], the quantum circuit (2) of [Pattern 2] of QFT7-SS has a quantum modulo of 2 6/2 as shown in FIG. a quantum circuit that performs Fourier transform QFT3-SS, a quantum circuit that performs quantization Fourier transform QFT4-SS for the 2 8/2 modulo composed of twelve control phase shift gate.
The quantum circuit that performs the quantum Fourier transform QFT4-SS modulo 2 8/2 has a quantum Fourier modulo 2 4/2 according to the method described in [when n is an even number], as shown in FIG. It consists of two quantum circuits that perform the transformation QFT2-SS and four control phase shift gates.
The quantum circuit that performs the quantum Fourier transform QFT3-SS modulo 2 6/2 has 2 2/2 as shown in FIG. 17 according to the method described in [Pattern 2] of [when n is an odd number]. a quantum circuit that performs quantization Fourier transform QFT1-SS modulo, and a quantum circuit that performs quantization Fourier transform QFT2-SS for the 2 4/2 modulo composed of a two control phase shift gate.
Quantum circuit for performing quantum Fourier transform QFT2-SS for the 2 4/2 and law, according to the method [n is an even number] described, as shown in FIG. 12, the quantum Fourier for a 2 2/2 modulo It consists of two quantum circuits that perform transformation QFT1-SS and one control phase shift gate.
Quantum circuit for performing quantum Fourier transform QFT1-SS for the 2 2/2 and law, according to the method described in [the case of n = 1], as shown in FIG. 13, and one Hadamard gate.
上記の例では、〔パターン1〕で構成する場合には、より小さい奇数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路も〔パターン1〕で構成するとし、〔パターン2〕で構成する場合には、より小さい奇数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路も〔パターン2〕で構成するとして説明したが、このような構成に限定する意味ではない。より大きい奇数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路の構成パターンに束縛されることなく、随意のパターンで、より小さい奇数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成できる。 In the above example, in the case of [Pattern 1], it is assumed that the quantum circuit that performs the quantum Fourier transform modulo a smaller odd number is also made of [Pattern 1], and in the case of [Pattern 2] A quantum circuit that performs quantum Fourier transform modulo a smaller odd number has been described as being configured by [Pattern 2], but is not limited to such a configuration. Without being bound by the configuration pattern of a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo a larger odd number, a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo a smaller odd number can be configured with an arbitrary pattern.
上記各例からも明らかなように、QFT−SSの量子回路は、1計算ステップに処理できる演算を分離していることから、LNN−QFTの量子回路〔図5参照〕よりも計算ステップが増大したものとなっている。 As is clear from the above examples, since the QFT-SS quantum circuit separates the operations that can be processed in one calculation step, the number of calculation steps is larger than that of the LNN-QFT quantum circuit (see FIG. 5). It has become.
さて、量子回路(2)の構成の仕方と同様に、近似でない量子フーリエ変換を行う量子回路(1p)を構成するが、次の点で構成の仕方に違いがある。
1点目は、2m〔mは近似の閾値である。〕以下の数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路から構成されるようになるまで自己相似的に分解して構成する。2m以下の数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路については、さらなる自己相似的な分解をしない。2m以下の数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路は、上述した近傍2量子ビット演算で構成された近似でない量子フーリエ変換LNN−QFTの量子回路(3)として構成される。
2点目は、量子回路(2)は近傍2量子ビット演算を使う量子回路ではないため、近傍2量子ビット演算を使う量子回路とする。
なお、量子回路(1p)が行う近似でない量子フーリエ変換は、式(3)で表される量子フーリエ変換であるが、自己相似的に構成されることと近傍2量子ビット演算を使うことを考慮して、量子回路(1p)が行う近似でない量子フーリエ変換をLNN−QFT−SSと表記する。
As in the configuration of the quantum circuit (2), the quantum circuit (1p) that performs non-approximate quantum Fourier transform is configured. However, the configuration is different in the following points.
The first point is 2 m [m is an approximate threshold value. ] Self-similar decomposition is performed until a quantum circuit that performs quantum Fourier transform modulo the following number is used. For a quantum circuit that performs quantum Fourier transform modulo a number of 2 m or less, no further self-similar decomposition is performed. A quantum circuit that performs quantum Fourier transform modulo a number of 2 m or less is configured as a quantum circuit (3) of non-approximate quantum Fourier transform LNN-QFT configured by the above-described neighboring 2-qubit operation.
The second point is that the quantum circuit (2) is not a quantum circuit using the
The quantum Fourier transform that is not approximated by the quantum circuit (1p) is the quantum Fourier transform represented by the equation (3), but it is considered that it is configured in a self-similar manner and uses a neighboring 2-qubit operation. A quantum Fourier transform that is not approximated by the quantum circuit (1p) is denoted as LNN-QFT-SS.
量子回路(1p)の構成を、図18を参照して説明する。図18は、説明の便宜から、nが2の冪乗数の場合を想定しており、近似でない量子フーリエ変換LNN−QFT−SSを行う量子回路(1p)を、自己相似的に分解して構成することを説明する模式図である。図18の中央に示されたLNN controlled phase shift circuit は、n個のqビットの量子フーリエ変換LNN−QFTn−SSを行う量子回路において、量子回路(2)に表れたn2/4個の制御フェイズシフトを近傍2量子ビット演算となるように構成した量子回路を表しており、その詳細は後述する。図18の中央に示されたLNN controlled phase shift circuit の両脇に、近傍2量子ビット演算で構成されたn/2個のqビットの量子フーリエ変換LNN−QFTn/2−SSを行う量子回路が構成される。 The configuration of the quantum circuit (1p) will be described with reference to FIG. For convenience of explanation, FIG. 18 assumes a case where n is a power of 2. The quantum circuit (1p) that performs non-approximate quantum Fourier transform LNN-QFT-SS is decomposed in a self-similar manner. It is a schematic diagram explaining what to do. LNN controlled phase shift circuit shown in the center of FIG. 18, in the quantum circuit that performs the n q-bit quantization Fourier transform LNN-QFTn-SS, n 2 /4 pieces of control appears in quantum circuit (2) This shows a quantum circuit configured such that the phase shift is a close 2-qubit operation, and details thereof will be described later. On both sides of the LNN controlled phase shift circuit shown in the center of FIG. 18, there is a quantum circuit that performs n / 2 q-bit quantum Fourier transform LNN-QFTn / 2-SS composed of neighboring 2-qubit operations. Composed.
LNN−QFTn/2−SSを行う量子回路は、LNN−QFTn−SSを行う量子回路と自己相似的に構成される。LNN−QFTn/2−SSを行う量子回路の中央に示されたLNN controlled phase shift circuit は、n/2個のqビットの量子フーリエ変換LNN−QFTn/2−SSを行う量子回路において、量子回路(2)に表れた(n/2)2/4個の制御フェイズシフトを近傍2量子ビット演算となるように構成した量子回路を表している。LNN−QFTn/2−SSを行う量子回路の中央に示されたLNN controlled phase shift circuit の両脇に、近傍2量子ビット演算で構成された(n/2)/2個のqビットの量子フーリエ変換LNN−QFT(n/2)/2−SSを行う量子回路が構成される。 A quantum circuit that performs LNN-QFTn / 2-SS is configured in a self-similar manner to a quantum circuit that performs LNN-QFTn-SS. The LNN controlled phase shift circuit shown in the center of the quantum circuit that performs LNN-QFTn / 2-SS is a quantum circuit that performs n / 2 q-bit quantum Fourier transform LNN-QFTn / 2-SS. represents a quantum circuit configured such that the two neighboring qubit calculates appeared was (n / 2) 2/4 pieces of control phase shift (2). On the both sides of the LNN controlled phase shift circuit shown in the center of the quantum circuit that performs LNN-QFTn / 2-SS, (n / 2) / 2 q-bit quantum Fouriers composed of neighboring 2 qubit operations A quantum circuit that performs the conversion LNN-QFT (n / 2) / 2-SS is configured.
LNN−QFT(n/2)/2−SSを行う量子回路は、LNN−QFTn/2−SSを行う量子回路と自己相似的に構成される。LNN−QFT(n/2)/2−SSを行う量子回路の中央に示されたLNN controlled phase shift circuit は、(n/2)/2個のqビットの量子フーリエ変換LNN−QFT(n/2)/2−SSを行う量子回路において、量子回路(2)に表れた((n/2)/2)2/4個の制御フェイズシフトを近傍2量子ビット演算となるように構成した量子回路を表している。LNN−QFT(n/2)/2−SSを行う量子回路の中央に示されたLNN controlled phase shift circuit の両脇に、近傍2量子ビット演算で構成された((n/2)/2)/2個のqビットの量子フーリエ変換LNN−QFT((n/2)/2)/2−SSを行う量子回路が構成される。 A quantum circuit that performs LNN-QFT (n / 2) / 2-SS is configured in a self-similar manner to a quantum circuit that performs LNN-QFTn / 2-SS. The LNN controlled phase shift circuit shown in the center of the quantum circuit performing LNN-QFT (n / 2) / 2-SS is (n / 2) / 2 q-bit quantum Fourier transform LNN-QFT (n / in quantum circuit for performing 2) / 2-SS, (it appeared in 2) ((n / 2) quantum circuit / 2) 2/4 quanta control phase shift is constructed as a near two-qubit operations Represents a circuit. LNN-QFT (n / 2) / 2-SS is composed of two adjacent qubit operations on both sides of the LNN controlled phase shift circuit shown at the center of the quantum circuit ((n / 2) / 2) A quantum circuit is configured to perform / 2 q-bit quantum Fourier transform LNN-QFT ((n / 2) / 2) / 2-SS.
このような自己相似的な分解による構成を繰り返すことで、近似でない量子フーリエ変換を行う量子回路(1p)を構成するのであるが、量子回路LNN−QFTn/2d〔d=1,2,…〕が、m≧n/2dとなる場合、量子回路LNN−QFTn/2dを自己相似的に分解して構成することを中止する。つまり、量子回路LNN−QFTn/2dは、量子回路(3)として構成される。 By repeating such a self-similar decomposition configuration, a quantum circuit (1p) that performs non-approximate quantum Fourier transform is configured, but quantum circuit LNN-QFTn / 2 d [d = 1, 2,. ] If the the m ≧ n / 2 d, to stop be configured by decomposing a quantum circuit LNN-QFTn / 2 d in a self-similar. That is, quantum circuits LNN-QFTn / 2 d is configured as a quantum circuit (3).
ここでは、説明の便宜から、nが2の冪乗数の場合を想定して説明したが、nが一般的に偶数の場合でも奇数の場合でも、上記2つの異なる点に注意して、量子回路(2)の構成の仕方と同様にして、量子回路(1p)を構成することができる。 Here, for convenience of explanation, the case where n is a power of 2 has been described. However, in the case where n is generally an even number or an odd number, the above two different points are taken into consideration. The quantum circuit (1p) can be configured in the same manner as the configuration of (2).
そこで、nが偶数の場合と奇数の場合に分け、自己相似的に分解して量子回路(1p)を構成する方法を説明する。
量子回路(1p)へ入力されるn個のqビットの状態を|bn−1〉,…,|b0〉とし、それぞれのqビットを順に第1-qビット、…、第n-qビットと云うことにする。つまり、最上位の配線に相当するqビットを第1-qビットとし、最下位の配線に相当するqビットを第n-qビットとする。また、記載の便宜から、第(・)-qビットなどとも記載する。
Therefore, a method for constructing the quantum circuit (1p) by dividing it into a case where n is an even number and a case where it is an odd number will be described.
The state of the n q bits input to the quantum circuit (1p) | b n-1 >, ..., | a b 0>, the 1-q bits each q bits in sequence, ..., the n-q I'll call it a bit. That is, the q bit corresponding to the uppermost wiring is the 1-q bit, and the q bit corresponding to the lowest wiring is the n-q bit. For convenience of description, it is also described as the (·) -q bit.
[nが偶数の場合]
《1》 第1-qビットから第(n/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を適用する。
[When n is an even number]
<< 1 >> For the 1st to qth bits to the (n / 2) th to qth bits, a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 n / 2 configured by a neighboring 2 qubit operation is applied.
《2》 g=2,…,n/2+1について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第(n/2−g+2j)-qビットと第(n/2−g+2j+1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。並列に演算することで計算ステップ数の増加を抑圧する〔以下同様〕。 << 2 >> For g = 2,..., N / 2 + 1, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. A control phase shift with an angle of 2π / 2 g is applied to the (n / 2−g + 2j) −q bits and the (n / 2−g + 2j + 1) −q bits, and SWAP is applied to these q bits. However, it is assumed that j = 1,..., G−1, and operations for all j are performed in parallel for each g. The increase in the number of calculation steps is suppressed by calculating in parallel [the same applies hereinafter].
《3》 g=n/2+2,…,nについて、順に、次の演算を行う量子回路とする。第(g−n/2+2j−2)-qビットと第(g−n/2+2j−1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う。
なお、g=nの場合の最後のSWAPは、下記《4》の最初のSWAPと相殺されることになる。
<< 3 >> For g = n / 2 + 2,..., N, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. Apply a control phase shift of angle 2π / 2 g to the (g−n / 2 + 2j−2) -q bits and (g−n / 2 + 2j−1) −q bits, and apply SWAP to these q bits To do. However, j = 1,..., N + 1−g, and operations for all j are performed in parallel for each g.
Note that the last SWAP when g = n is offset with the first SWAP of << 4 >> below.
《4》 g=n,…,n/2+2について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第(g−n/2+2j−2)-qビットと第(g−n/2+2j−1)-qビットにSWAPを適用する。ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う。 << 4 >> For g = n,..., N / 2 + 2, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. SWAP is applied to the (g−n / 2 + 2j−2) −q bit and the (g−n / 2 + 2j−1) −q bit. However, j = 1,..., N + 1−g, and operations for all j are performed in parallel for each g.
《5》 g=n/2+1,…,2について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第(n/2−g+2j)-qビットと第(n/2−g+2j+1)-qビットにSWAPを適用する。ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う。 << 5 >> For g = n / 2 + 1,..., 2, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. SWAP is applied to the (n / 2−g + 2j) −qth bit and the (n / 2−g + 2j + 1) −qth bit. However, j = 1,..., G−1, and calculations for all j are performed in parallel for each g.
《6》 第(n/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を適用する。 << 6 >> For the (n / 2 + 1) -q-th bit to the n-q-th bit, a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 n / 2 constituted by neighboring 2-qubit operations is applied.
[nが奇数の場合]
具体的には、2つの構成が可能である。
[When n is an odd number]
Specifically, two configurations are possible.
(パターン1)
《1》 第1-qビットから第((n+1)/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2(n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を適用する。
(Pattern 1)
<< 1 >> A quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 (n + 1) / 2 composed of neighboring 2-qubit operations is applied from the 1st to qth bits to the ((n + 1) / 2) -q bits. To do.
《2》 g=2,…,(n+1)/2について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第((n+1)/2−g+2j)-qビットと第((n+1)/2−g+2j+1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う。 << 2 >> For g = 2,..., (N + 1) / 2, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. A control phase shift of angle 2π / 2 g is applied to the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits and the ((n + 1) / 2−g + 2j + 1) −q bits, and SWAP is applied to these q bits. To do. However, j = 1,..., G−1, and calculations for all j are performed in parallel for each g.
《3》 g=(n+1)/2+1,…,nについて、順に、次の演算を行う量子回路とする。第(g−(n+1)/2+2j−2)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j−1)ビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う。
なお、g=nの場合の最後のSWAPは、下記《4》の最初のSWAPと相殺されることに注意する。
<< 3 >> For g = (n + 1) / 2 + 1,..., N, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. A control phase shift of angle 2π / 2 g is applied to the (g− (n + 1) / 2 + 2j−2) −q bits and the (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) bits, and SWAP is applied to these q bits. Apply. However, j = 1,..., N + 1−g, and operations for all j are performed in parallel for each g.
Note that the last SWAP when g = n is offset with the first SWAP of << 4 >> below.
《4》 g=n,…,(n+1)/2+1について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第(g−(n+1)/2+2j−2)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットにSWAPを適用する。ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う。 << 4 >> For g = n,..., (N + 1) / 2 + 1, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. SWAP is applied to the (g− (n + 1) / 2 + 2j−2) −q bits and the (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) −q bits. However, j = 1,..., N + 1−g, and operations for all j are performed in parallel for each g.
《5》 g=(n+1)/2,…,2について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第((n+1)/2−g+2j)-qビットと第((n+1)/2−g+2j+1)-qビットにSWAPを適用する。ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う。 << 5 >> For g = (n + 1) / 2,..., 2, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. SWAP is applied to the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits and the ((n + 1) / 2−g + 2j + 1) −q bits. However, j = 1,..., G−1, and calculations for all j are performed in parallel for each g.
《6》 第((n+1)/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2 (n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を適用する。 << 6 >> Quantum circuit that performs quantum Fourier transform modulo 2 (n−1) / 2 , which is constituted by neighboring 2 qubit operations for the (n + 1) / 2 + 1) -q bits to the n-q bits Apply.
(パターン2)
《1》 第1-qビットから第((n−1)/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2(n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を適用する。
(Pattern 2)
<< 1 >> Quantum Fourier transform modulo 2 (n-1) / 2 composed of neighboring 2-qubit operations is performed from the 1-q bit to the ((n-1) / 2) -q bit. Apply quantum circuits.
《2》 g=2,…,(n+1)/2について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第((n+1)/2−g+2j−1)-qビットと第((n+1)/2−g+2j)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う。 << 2 >> For g = 2,..., (N + 1) / 2, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. A control phase shift of angle 2π / 2 g is applied to the ((n + 1) / 2−g + 2j−1) −q bits and the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits, and SWAP is applied to these q bits. Apply. However, j = 1,..., G−1, and calculations for all j are performed in parallel for each g.
《3》 g=(n+1)/2+1,…,nについて、順に、次の演算を行う量子回路とする。第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j)ビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う。
なお、g=nの場合の最後のSWAPは、下記《4》の最初のSWAPと相殺されることに注意する。
<< 3 >> For g = (n + 1) / 2 + 1,..., N, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. A control phase shift of angle 2π / 2 g is applied to the (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) −q bits and the (g− (n + 1) / 2 + 2j) bits, and SWAP is applied to these q bits. To do. However, j = 1,..., N + 1−g, and operations for all j are performed in parallel for each g.
Note that the last SWAP when g = n is offset with the first SWAP of << 4 >> below.
《4》 g=n,…,(n+1)/2+1について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j)-qビットにSWAPを適用する。ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う。 << 4 >> For g = n,..., (N + 1) / 2 + 1, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. SWAP is applied to the (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) −q bits and the (g− (n + 1) / 2 + 2j) −q bits. However, j = 1,..., N + 1−g, and operations for all j are performed in parallel for each g.
《5》 g=(n+1)/2,…,2について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第((n+1)/2−g+2j−1)-qビットと第((n+1)/2−g+2j)-qビットにSWAPを適用する。ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う。 << 5 >> For g = (n + 1) / 2,..., 2, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. SWAP is applied to the ((n + 1) / 2−g + 2j−1) −q bits and the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits. However, j = 1,..., G−1, and calculations for all j are performed in parallel for each g.
《6》 第((n−1)/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2 (n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を適用する。 << 6 >> Quantum circuit that performs quantum Fourier transform modulo 2 (n + 1) / 2 composed of neighboring 2-qubit operations from the ((n-1) / 2 + 1) -q bit to the n-q bit Apply.
[n=1の場合]
第1-qビットにアダマール変換を適用する。
[When n = 1]
Apply Hadamard transform to 1-q bits.
2nより小さく2mより大きい数2Bを法とする量子フーリエ変換の量子回路については、このBを新たなnと看做して、上記の場合分けに従って、自己相似的に分解して構成する。例えば、nが偶数の場合では、2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路について、n/2を新たなnと看做して上記の場合分けに従って、自己相似的に分解して構成する。
The quantum Fourier transform quantum circuit modulo the
なお、2m以下の数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路については、さらなる自己相似的な分解をしない。2m以下の数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路は、上述した近傍2量子ビット演算で構成された近似でない量子フーリエ変換LNN−QFTの量子回路(3)として構成される。 Note that no further self-similar decomposition is performed for quantum circuits that perform quantum Fourier transform modulo a number of 2 m or less. A quantum circuit that performs quantum Fourier transform modulo a number of 2 m or less is configured as a quantum circuit (3) of non-approximate quantum Fourier transform LNN-QFT configured by the above-described neighboring 2-qubit operation.
以下、量子回路(1p)の3つの具体例を示す。
図19に、n=8の場合であるLNN−QFT8−SSの量子回路(1p)を示す。LNN−QFT8−SSの量子回路(1p)は、[nが偶数の場合]で説明した方法に従って、次のように構成される。
《1》 第1-qビットから第(8/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した28/2を法とする量子フーリエ変換LNN−QFT4−SSを行う量子回路を構成する〔図19において符号α1で指示する量子回路〕。LNN−QFT4−SSを行う量子回路は、[nが偶数の場合]で説明した方法に従って構成される。
《2》 g=2,…,8/2+1について、次の演算を行う量子回路を構成する。第(8/2−g+2j)-qビットと第(8/2−g+2j+1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する〔図19において符号α2で指示する量子回路〕。ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う構成である。つまり、図19において、例えば実線で囲んだ部分は、1計算ステップで並列に演算可能であり、その他も同様である。
《3》 g=8/2+2,…,8について、次の演算を行う量子回路を構成する。第(g−8/2+2j−2)-qビットと第(g−8/2+2j−1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する〔図19において符号α3で指示する量子回路〕。ただし、j=1,…,8+1−gとし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う構成である。g=8の場合の最後のSWAPは、次の《4》の最初のSWAPと相殺されることになるが図19では、説明の便宜で敢えて残している。
《4》 g=8,…,8/2+2について、次の演算を行う量子回路を構成する。第(g−8/2+2j−2)-qビットと第(g−8/2+2j−1)-qビットにSWAPを適用する〔図19において符号α4で指示する量子回路〕。ただし、j=1,…,8+1−gとし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う構成である。
《5》 g=8/2+1,…,2について、次の演算を行う量子回路を構成する。第(8/2−g+2j)-qビットと第(8/2−g+2j+1)-qビットにSWAPを適用する〔図19において符号α5で指示する量子回路〕。ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算は並列に行う構成である。
《6》 第(8/2+1)-qビットから第8-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した28/2を法とする量子フーリエ変換LNN−QFT4−SSを行う量子回路を構成する〔図19において符号α6で指示する量子回路〕。LNN−QFT4−SSを行う量子回路は、[nが偶数の場合]で説明した方法に従って構成される。
Hereinafter, three specific examples of the quantum circuit (1p) are shown.
FIG. 19 shows a quantum circuit (1p) of LNN-QFT8-SS where n = 8. The quantum circuit (1p) of the LNN-QFT8-SS is configured as follows according to the method described in [when n is an even number].
"1" for the first 1-q bit to the (8/2) -q bits, a quantum circuit that performs quantization Fourier transform LNN-QFT4-SS modulo 2 8/2 constructed near two-qubit operations [Quantum circuit indicated by symbol α1 in FIG. 19]. A quantum circuit that performs LNN-QFT4-SS is configured according to the method described in [when n is an even number].
<< 2 >> For g = 2,..., 8/2 + 1, a quantum circuit that performs the following operation is configured. A control phase shift of an angle 2π / 2 g is applied to the (8 / 2−g + 2j) −q bits and the (8 / 2−g + 2j + 1) −q bits, and SWAP is applied to these q bits [FIG. Quantum circuit indicated by α2 in FIG. However, j = 1,..., G−1, and the calculation for all j is performed in parallel for each g. That is, in FIG. 19, for example, a portion surrounded by a solid line can be calculated in parallel in one calculation step, and the others are the same.
<< 3 >> For g = 8/2 + 2,..., 8, a quantum circuit that performs the following operation is configured. The (g-8/2 + 2j -2) -q bit and the (g-8/2 + 2j -1) to -q bits by applying the control phase shift angle 2π / 2 g, further applying SWAP to these q bits [Quantum circuit indicated by symbol α3 in FIG. 19]. However, it is set as j = 1, ..., 8 + 1-g, and the calculation about all j is performed in parallel for every g. The last SWAP in the case of g = 8 is canceled out with the first SWAP of the next << 4 >>, but in FIG. 19, it is intentionally left for convenience of explanation.
<< 4 >> For g = 8,..., 8/2 + 2, a quantum circuit that performs the following calculation is configured. SWAP is applied to the (g−8 / 2 + 2j−2) −q bits and the (g−8 / 2 + 2j−1) −q bits [quantum circuit indicated by symbol α4 in FIG. 19]. However, it is set as j = 1, ..., 8 + 1-g, and the calculation about all j is performed in parallel for every g.
<< 5 >> For g = 8/2 + 1,..., 2, a quantum circuit that performs the following operation is configured. SWAP is applied to the (8 / 2−g + 2j) −qth bit and the (8 / 2−g + 2j + 1) −qth bit [quantum circuit indicated by α5 in FIG. 19]. However, j = 1,..., G−1, and the calculation for all j is performed in parallel for each g.
<< 6 >> A quantum circuit that performs a quantum Fourier transform LNN-QFT4-SS modulo 2 8/2 composed of neighboring 2 qubit operations from the ( 8/2 + 1) -q bit to the 8-q bit [Quantum circuit indicated by α6 in FIG. 19]. A quantum circuit that performs LNN-QFT4-SS is configured according to the method described in [when n is an even number].
図20に、n=7の場合であるLNN−QFT7−SSの(パターン1)の量子回路(1p)を示す。LNN−QFT7−SSの(パターン1)の量子回路(1p)は、[nが奇数の場合]の(パターン1)で説明した方法に従って、次のように構成される。
《1》 第1-qビットから第((7+1)/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算を用いて2(7+1)/2を法とする量子フーリエ変換LNN−QFT4−SSを行う量子回路を構成する〔図20において符号β1で指示する量子回路〕。LNN−QFT4−SSを行う量子回路は、[nが偶数の場合]で説明した方法に従って構成される。
《2》 g=2,…,(7+1)/2について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第((7+1)/2−g+2j)-qビットと第((7+1)/2−g+2j+1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する〔図20において符号β2で指示する量子回路〕。ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う構成である。
《3》 g=(7+1)/2+1,…,7について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第(g−(7+1)/2+2j−2)-qビットと第(g−(7+1)/2+2j−1)ビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する〔図20において符号β3で指示する量子回路〕。ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う構成である。g=7の場合の最後のSWAPは、次の《4》の最初のSWAPと相殺されることになるが図20では、説明の便宜で敢えて残している。
《4》 g=7,…,(7+1)/2+1について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第(g−(7+1)/2+2j−2)-qビットと第(g−(7+1)/2+2j−1)-qビットにSWAPを適用する〔図20において符号β4で指示する量子回路〕。ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う構成である。
《5》 g=(7+1)/2,…,2について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第((7+1)/2−g+2j)-qビットと第((7+1)/2−g+2j+1)-qビットにSWAPを適用する〔図20において符号β5で指示する量子回路〕。ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについてのて演算を並列に行う構成である。
《6》 第((7+1)/2+1)-qビットから第7-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算を用いて2 (7−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路LNN−QFT3−SSを構成する〔図20において符号β6で指示する量子回路〕。LNN−QFT3−SSを行う量子回路は、[nが奇数の場合]で説明した方法に従って構成される。
FIG. 20 shows a quantum circuit (1p) of (pattern 1) of LNN-QFT7-SS in the case of n = 7. The quantum circuit (1p) of (pattern 1) of LNN-QFT7-SS is configured as follows according to the method described in (pattern 1) of [when n is an odd number].
<< 1 >> Quantum Fourier transform LNN-QFT4-SS modulo 2 (7 + 1) / 2 is performed from the 1-qth bit to the ((7 + 1) / 2) -q-
<< 2 >> For g = 2,..., (7 + 1) / 2, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. A control phase shift of angle 2π / 2 g is applied to the ((7 + 1) / 2−g + 2j) −q bits and the ((7 + 1) / 2−g + 2j + 1) −q bits, and SWAP is applied to these q bits. [Quantum circuit indicated by symbol β2 in FIG. 20]. However, j = 1,..., G−1, and the calculation for all j is performed in parallel for each g.
<< 3 >> For g = (7 + 1) / 2 + 1,..., 7, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. A control phase shift of angle 2π / 2 g is applied to the (g− (7 + 1) / 2 + 2j−2) −q bits and the (g− (7 + 1) / 2 + 2j−1) bits, and SWAP is applied to these q bits. [Quantum circuit indicated by symbol β3 in FIG. 20]. However, j = 1,..., N + 1−g, and the calculation for all j is performed in parallel for each g. The last SWAP in the case of g = 7 is offset with the first SWAP of the next << 4 >>. However, in FIG.
<< 4 >> For g = 7,..., (7 + 1) / 2 + 1, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. SWAP is applied to the (g− (7 + 1) / 2 + 2j−2) −q bits and the (g− (7 + 1) / 2 + 2j−1) −q bits [quantum circuit indicated by symbol β4 in FIG. 20]. However, j = 1,..., N + 1−g, and the calculation for all j is performed in parallel for each g.
<< 5 >> For g = (7 + 1) / 2,..., 2, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. SWAP is applied to the ((7 + 1) / 2−g + 2j) −q bit and the ((7 + 1) / 2−g + 2j + 1) −q bit (quantum circuit indicated by the symbol β5 in FIG. 20). However, j = 1,..., G−1, and the calculation is performed in parallel for all j for each g.
<< 6 >> Quantum circuit performing quantum Fourier transform modulo 2 (7-1) / 2 using the neighboring 2-qubit operation from the ((7 + 1) / 2 + 1) -q bit to the 7-q bit LNN-QFT3-SS is configured [quantum circuit indicated by symbol β6 in FIG. 20]. A quantum circuit that performs LNN-QFT3-SS is configured according to the method described in [when n is an odd number].
図21に、n=7の場合であるLNN−QFT7−SSの(パターン2)の量子回路(1p)を示す。LNN−QFT7−SSの(パターン2)の量子回路(1p)は、[nが奇数の場合]の(パターン2)で説明した方法に従って、次のように構成される。
《1》 第1-qビットから第((7−1)/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算を用いて2(7−1)/2を法とする量子フーリエ変換LNN−QFT3−SSを行う量子回路を構成する〔図21において符号γ1で指示する量子回路〕。LNN−QFT3−SSを行う量子回路は、[nが奇数の場合]で説明した方法に従って構成される。
《2》 g=2,…,(7+1)/2について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第((7+1)/2−g+2j−1)-qビットと第((7+1)/2−g+2j)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する〔図21において符号γ2で指示する量子回路〕。ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う構成とする。
《3》 g=(7+1)/2+1,…,7について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第(g−(7+1)/2+2j−1)-qビットと第(g−(7+1)/2+2j)ビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する〔図21において符号γ3で指示する量子回路〕。ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う構成とする。g=7の場合の最後のSWAPは、次の《4》の最初のSWAPと相殺されることになるが図21では、説明の便宜で敢えて残している。
《4》 g=7,…,(7+1)/2+1について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第(g−(7+1)/2+2j−1)-qビットと第(g−(7+1)/2+2j)-qビットにSWAPを適用する〔図21において符号γ4で指示する量子回路〕。ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う構成とする。
《5》 g=(7+1)/2,…,2について、順に、次の演算を行う量子回路とする。第((7+1)/2−g+2j−1)-qビットと第((7+1)/2−g+2j)-qビットにSWAPを適用する〔図21において符号γ5で指示する量子回路〕。ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う構成とする。
《6》 第((7−1)/2+1)-qビットから第7-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算を用いて2 (7+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路LNN−QFT4−SSを構成する〔図21において符号γ6で指示する量子回路〕。LNN−QFT4−SSを行う量子回路は、[nが偶数の場合]で説明した方法に従って構成される。
FIG. 21 shows a (pattern 2) quantum circuit (1p) of LNN-QFT7-SS in the case of n = 7. The quantum circuit (1p) of (pattern 2) of LNN-QFT7-SS is configured as follows according to the method described in (pattern 2) of [when n is an odd number].
<< 1 >> Quantum Fourier transform LNN-
<< 2 >> For g = 2,..., (7 + 1) / 2, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. A control phase shift of angle 2π / 2 g is applied to the ((7 + 1) / 2−g + 2j−1) −q bits and the ((7 + 1) / 2−g + 2j) −q bits, and SWAP is applied to these q bits. [Quantum circuit indicated by γ2 in FIG. 21]. However, j = 1,..., G−1, and the calculation for all j is performed in parallel for each g.
<< 3 >> For g = (7 + 1) / 2 + 1,..., 7, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. Apply a control phase shift of angle 2π / 2 g to the (g− (7 + 1) / 2 + 2j−1) −q bits and the (g− (7 + 1) / 2 + 2j) bits, and apply SWAP to these q bits. [Quantum circuit indicated by symbol γ3 in FIG. 21]. However, j = 1,..., N + 1−g, and the calculation for all j is performed in parallel for each g. The last SWAP in the case of g = 7 is canceled out with the first SWAP of the next << 4 >>, but in FIG. 21 it is left for convenience of explanation.
<< 4 >> For g = 7,..., (7 + 1) / 2 + 1, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. SWAP is applied to the (g− (7 + 1) / 2 + 2j−1) −q bits and the (g− (7 + 1) / 2 + 2j) −q bits [quantum circuit indicated by reference numeral γ4 in FIG. 21]. However, j = 1,..., N + 1−g, and the calculation for all j is performed in parallel for each g.
<< 5 >> For g = (7 + 1) / 2,..., 2, a quantum circuit that sequentially performs the following operations is used. SWAP is applied to the ((7 + 1) / 2−g + 2j−1) −q bits and the ((7 + 1) / 2−g + 2j) −q bits (quantum circuit indicated by reference numeral γ5 in FIG. 21). However, j = 1,..., G−1, and the calculation for all j is performed in parallel for each g.
<< 6 >> Quantum circuit that performs quantum Fourier transform modulo 2 (7 + 1) / 2 using the neighboring 2-qubit operation from the ((7-1) / 2 + 1) -q bit to the 7-q bit LNN-QFT4-SS is configured [quantum circuit indicated by symbol γ6 in FIG. 21]. A quantum circuit that performs LNN-QFT4-SS is configured according to the method described in [when n is an even number].
上記の例では、(パターン1)で構成する場合には、より小さい奇数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路も(パターン1)で構成するとし、(パターン2)で構成する場合には、より小さい奇数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路も(パターン2)で構成するとして説明したが、このような構成に限定する意味ではない。より大きい奇数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路の構成パターンに束縛されることなく、随意のパターンで、より小さい奇数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成できる。 In the above example, when configured with (Pattern 1), the quantum circuit that performs the quantum Fourier transform modulo a smaller odd number is also configured with (Pattern 1), and when configured with (Pattern 2) Although the quantum circuit that performs the quantum Fourier transform modulo the smaller odd number has been described as being configured by (pattern 2), it is not limited to such a configuration. Without being bound by the configuration pattern of a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo a larger odd number, a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo a smaller odd number can be configured with an arbitrary pattern.
近似でない量子フーリエ変換LNN−QFT−SSを行う量子回路(1p)から近似量子フーリエ変換LNN−AQFT−SSを行う量子回路(1)を構成する方法を説明する。一般的に、近似の閾値mはO(logn)程度とされる。 A method of configuring the quantum circuit (1) that performs the approximate quantum Fourier transform LNN-AQFT-SS from the quantum circuit (1p) that performs the quantum Fourier transform LNN-QFT-SS that is not approximate will be described. Generally, the approximate threshold value m is about O (logn).
LNN−QFT−SSを行う量子回路(1p)において、角度2π/2t(t>m)の制御フェイズシフトを恒等変換に置換する。これに伴い、角度2π/2t(t=m)の制御フェイズシフトゲートの直後のSWAPおよび恒等変換とされた制御フェイズシフトゲートの直後のSWAPが、量子回路(1p)の構成方法で説明したいずれの場合の《4》および《5》で構成されたSWAPだけからなる量子回路部分のSWAPの一部と相殺され、量子回路全体が簡略化されることになる。つまり、角度2π/2t(t=m)の制御フェイズシフトの直後のSWAPおよび恒等変換とされた制御フェイズシフトの直後のSWAPの各演算を行う量子回路Cと、量子回路(1p)の構成方法で説明したいずれの場合の《4》および《5》で構成されたSWAPだけからなる量子回路において量子回路Cの鏡像対称の量子回路部分とが相殺される。
この処理で得られた量子回路が、LNN−AQFT−SSを行う量子回路(1)である。
この量子回路(1)は、近似の閾値の下限をO(logn)とし、近傍2量子ビット演算を使って、O(n)個の計算ステップ数とO(nlogn)個の基本演算で近似量子フーリエ変換を行うものとなっている。
In the quantum circuit (1p) that performs LNN-QFT-SS, the control phase shift of the angle 2π / 2 t (t> m) is replaced with the identity transformation. Accordingly, the SWAP immediately after the control phase shift gate having an angle of 2π / 2 t (t = m) and the SWAP immediately after the control phase shift gate assumed to be an identity transformation are described in the configuration method of the quantum circuit (1p). In any case, the entire quantum circuit is simplified by canceling out a part of the SWAP of the quantum circuit portion composed only of the SWAP configured by << 4 >> and << 5 >>. That is, the quantum circuit C that performs each calculation of the SWAP immediately after the control phase shift of the angle 2π / 2 t (t = m) and the SWAP immediately after the control phase shift that is assumed to be an identity transformation, and the quantum circuit (1p) In any case described in the configuration method, in the quantum circuit including only SWAP configured by << 4 >> and << 5 >>, the mirror-symmetrical quantum circuit portion of the quantum circuit C is canceled.
The quantum circuit obtained by this processing is the quantum circuit (1) that performs LNN-AQFT-SS.
In this quantum circuit (1), the lower limit of the approximation threshold is O (logn), and the approximate quantum is calculated using the number of calculation steps of O (n) and the basic calculation of O (nlogn) using the neighboring 2-qubit operation. The Fourier transform is performed.
以下、LNN−AQFT−SSを行う量子回路(1)の3つの具体例を示す。
ここでは、図9との比較を容易にする観点から、近似の閾値mを5の場合として例示する。
Hereinafter, three specific examples of the quantum circuit (1) that performs LNN-AQFT-SS will be described.
Here, from the viewpoint of facilitating comparison with FIG. 9, the approximate threshold value m is exemplified as 5.
図22に、図19に対応したLNN−AQFT8−SSを行う量子回路(1)を示す。
t=6,7,8に対応する制御フェイズシフトを恒等変換とみなすことから、符号α2で示した量子回路の最後(最右側)の4つのSWAPおよび符号α3で示した量子回路の6つのSWAPが、符号α4で示した量子回路の10つのSWAPと相殺される。図9と比較して明らかなように、SWAPが相殺されて低減することで、基本演算数が従来に比して低減した量子回路となる。
図22では、より小さい数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路として、具体的にはLNN−AQFT4−SSと表記しているが、近似の閾値mを5としているから、正確には、LNN−QFT4を行う量子回路となる。このLNN−QFT4を行う量子回路は、従来と同様に構成されたものであり、近傍2量子ビット演算で構成された近似でない量子フーリエ変換の量子回路(3)である。
仮に、mが3であれば、LNN−AQFT4−SSを行う量子回路をさらに自己相似的に構成すればよく、このとき、LNN−AQFT2−SSを行う量子回路が現われるが、2<3であるから、LNN−QFT2を行う量子回路とすればよい。つまり、LNN−AQFT8−SSを行う量子回路(1)は、LNN−QFT2を行う4つの量子回路と、3つのLNN controlled phase shift circuit とで構成される。
FIG. 22 shows a quantum circuit (1) that performs LNN-AQFT8-SS corresponding to FIG.
Since the control phase shift corresponding to t = 6, 7, and 8 is regarded as an identity transformation, the last four SWAPs (rightmost) of the quantum circuit indicated by the symbol α2 and the six quantum circuits indicated by the symbol α3 The SWAP is canceled with the 10 SWAPs of the quantum circuit indicated by the symbol α4. As apparent from the comparison with FIG. 9, the SWAP is offset and reduced, resulting in a quantum circuit in which the number of basic operations is reduced as compared with the conventional circuit.
In FIG. 22, the quantum circuit that performs the quantum Fourier transform modulo a smaller number is specifically represented as LNN-AQFT4-SS, but since the approximate threshold value m is 5, The quantum circuit performs LNN-QFT4. The quantum circuit that performs this LNN-QFT4 is configured in the same manner as in the prior art, and is a quantum circuit (3) of non-approximate quantum Fourier transform that is configured by neighboring 2-qubit operations.
If m is 3, a quantum circuit that performs LNN-AQFT4-SS may be further configured to be self-similar, and at this time, a quantum circuit that performs LNN-AQFT2-SS appears, but 2 <3. Therefore, a quantum circuit that performs LNN-QFT2 may be used. That is, the quantum circuit (1) that performs LNN-AQFT8-SS includes four quantum circuits that perform LNN-QFT2 and three LNN controlled phase shift circuits.
図23に、図20に対応したLNN−AQFT7−SSを行う量子回路(1)を示す。t=6,7,8に対応する制御フェイズシフトを恒等変換とみなすことから、符号β3で示した量子回路の6つのSWAPが、符号β4で示した量子回路の6つのSWAPと相殺される。
図23では、より小さい数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路として、具体的にはLNN−AQFT4−SSおよびLNN−AQFT3−SSと表記しているが、近似の閾値mを5としているから、正確には、それぞれLNN−QFT4を行う量子回路とLNN−QFT3を行う量子回路となる。これらのLNN−QFT4を行う量子回路とLNN−QFT3を行う量子回路は、従来と同様に構成されたものであり、近傍2量子ビット演算で構成された近似でない量子フーリエ変換の量子回路(3)である。
仮に、mが3であれば、LNN−AQFT4−SSを行う量子回路をさらに自己相似的に構成すればよく、このとき、LNN−AQFT2−SSを行う量子回路が現われるが、2<3であるから、LNN−QFT2を行う量子回路とすればよい。つまり、LNN−AQFT7−SSを行う量子回路(1)は、LNN−QFT2を行う2つの量子回路と、LNN−QFT3を行う量子回路と、2つのLNN controlled phase shift circuit とで構成される。
FIG. 23 shows a quantum circuit (1) that performs LNN-AQFT7-SS corresponding to FIG. Since the control phase shift corresponding to t = 6, 7, and 8 is regarded as an identity transformation, the six SWAPs of the quantum circuit indicated by the symbol β3 are canceled with the six SWAPs of the quantum circuit indicated by the symbol β4. .
In FIG. 23, the quantum circuits that perform the quantum Fourier transform modulo a smaller number are specifically represented as LNN-AQFT4-SS and LNN-AQFT3-SS, but the approximate threshold value m is 5. Therefore, to be precise, a quantum circuit that performs LNN-QFT4 and a quantum circuit that performs LNN-QFT3, respectively. The quantum circuit for performing LNN-QFT4 and the quantum circuit for performing LNN-QFT3 are configured in the same manner as in the prior art, and are not approximate quantum quantum transform quantum circuits (3) configured by neighboring 2-qubit operations. It is.
If m is 3, a quantum circuit that performs LNN-AQFT4-SS may be further configured to be self-similar, and at this time, a quantum circuit that performs LNN-AQFT2-SS appears, but 2 <3. Therefore, a quantum circuit that performs LNN-QFT2 may be used. That is, the quantum circuit (1) that performs LNN-AQFT7-SS includes two quantum circuits that perform LNN-QFT2, a quantum circuit that performs LNN-QFT3, and two LNN controlled phase shift circuits.
図24に、図21に対応したLNN−AQFT7−SSを行う量子回路(1)を示す。t=6,7,8に対応する制御フェイズシフトを恒等変換とみなすことから、符号β3で示した量子回路の6つのSWAPが、符号β4で示した量子回路の6つのSWAPと相殺される。
図24では、より小さい数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路として、具体的にはLNN−AQFT3−SSおよびLNN−AQFT4−SSと表記しているが、近似の閾値mを5としているから、正確には、それぞれLNN−QFT3を行う量子回路とLNN−QFT4を行う量子回路となる。これらのLNN−QFT3を行う量子回路とLNN−QFT4を行う量子回路は、従来と同様に構成されたものであり、近傍2量子ビット演算で構成された近似でない量子フーリエ変換の量子回路(3)である。
仮に、mが3であれば、LNN−AQFT4−SSを行う量子回路をさらに自己相似的に構成すればよく、このとき、LNN−AQFT2−SSを行う量子回路が現われるが、2<3であるから、LNN−QFT2を行う量子回路とすればよい。つまり、LNN−AQFT7−SSを行う量子回路(1)は、LNN−QFT2を行う2つの量子回路と、LNN−QFT3を行う量子回路と、2つのLNN controlled phase shift circuit とで構成される。
FIG. 24 shows a quantum circuit (1) that performs LNN-AQFT7-SS corresponding to FIG. Since the control phase shift corresponding to t = 6, 7, and 8 is regarded as an identity transformation, the six SWAPs of the quantum circuit indicated by the symbol β3 are canceled with the six SWAPs of the quantum circuit indicated by the symbol β4. .
In FIG. 24, the quantum circuits that perform the quantum Fourier transform modulo a smaller number are specifically described as LNN-AQFT3-SS and LNN-AQFT4-SS, but the approximate threshold value m is set to 5. Therefore, to be precise, a quantum circuit that performs LNN-QFT3 and a quantum circuit that performs LNN-QFT4, respectively. The quantum circuit that performs the LNN-QFT3 and the quantum circuit that performs the LNN-QFT4 are configured in the same manner as in the past, and are non-approximate quantum Fourier transform quantum circuits (3) configured by neighboring 2-qubit operations. It is.
If m is 3, a quantum circuit that performs LNN-AQFT4-SS may be further configured to be self-similar, and at this time, a quantum circuit that performs LNN-AQFT2-SS appears, but 2 <3. Therefore, a quantum circuit that performs LNN-QFT2 may be used. That is, the quantum circuit (1) that performs LNN-AQFT7-SS includes two quantum circuits that perform LNN-QFT2, a quantum circuit that performs LNN-QFT3, and two LNN controlled phase shift circuits.
ここで、LNN−QFT4を行う量子回路を図25に、LNN−QFT3を行う量子回路を図26に示す。これらの量子回路(3)の構成は、背景技術で既に述べたとおりである。 Here, FIG. 25 shows a quantum circuit that performs LNN-QFT4, and FIG. 26 shows a quantum circuit that performs LNN-QFT3. The configuration of these quantum circuits (3) is as already described in the background art.
〔量子演算方法〕
次に、本発明の量子回路(1)における量子演算方法について説明する。
量子回路(1)の構成方法から明らかなとおり、一般的には、分解の過程で奇数個のqビットに対する量子フーリエ変換を行う量子回路が生じるから、n個のqビットに対する本発明の量子回路を一意に決定することができない。
そこで、ここでは一例として、図22に示したLNN−AQFT8−SSを行う量子回路(1)における量子演算方法について説明する。入力状態は|b7b6…b1b0〉である。|b7〉は第1-qビットの状態であり、|b6〉は第2-qビットの状態であり、中略、|b1〉は第7-qビットの状態であり、|b0〉は第8-qビットの状態である。
一般的に、量子回路に従った演算は、入力側から出力側に向かって時系列に行われ、並列演算可能な演算は1計算ステップで全て演算される。
[Quantum calculation method]
Next, a quantum operation method in the quantum circuit (1) of the present invention will be described.
As is apparent from the configuration method of the quantum circuit (1), in general, a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform on an odd number of q bits is generated in the process of decomposition. Therefore, the quantum circuit of the present invention for n q bits Cannot be determined uniquely.
Therefore, here, as an example, a quantum operation method in the quantum circuit (1) that performs the LNN-AQFT8-SS illustrated in FIG. 22 will be described. The input state is | b 7 b 6 ... B 1 b 0 >. | b 7 > is the state of the 1st-q bit, | b 6 > is the state of the 2nd-q bit, abbreviated, | b 1 > is the state of the 7th-q bit, and | b 0 > Is the state of the 8-q bit.
In general, operations according to a quantum circuit are performed in time series from the input side to the output side, and all operations that can be performed in parallel are calculated in one calculation step.
ステップS1
第1-qビットにアダマール変換を適用する。
Step S1
Apply Hadamard transform to 1-q bits.
ステップS2
第1-qビットと第2-qビットに角度2π/22の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。
Step S2
A control phase shift with an angle of 2π / 2 2 is applied to the 1-q bit and the 2-q bit, and SWAP is applied to these q bits.
ステップS3
第1-qビットにアダマール変換を適用する。第2-qビットと第3-qビットに角度2π/23の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、これらの演算を並列に行う。
Step S3
Apply Hadamard transform to 1-q bits. A control phase shift with an angle of 2π / 2 3 is applied to the 2nd-q bit and the 3rd-q bit, and SWAP is applied to these q bits. However, these operations are performed in parallel.
ステップS4
第1-qビットと第2-qビットに角度2π/22の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。第3-qビットと第4-qビットに角度2π/24の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、これらの演算を並列に行う。
Step S4
A control phase shift with an angle of 2π / 2 2 is applied to the 1-q bit and the 2-q bit, and SWAP is applied to these q bits. A control phase shift with an angle of 2π / 2 4 is applied to the 3rd-qth bit and the 4th-qth bit, and SWAP is further applied to these qbits. However, these operations are performed in parallel.
ステップS5
第1-qビットにアダマール変換を適用する。第2-qビットと第3-qビットに角度2π/23の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、これらの演算を並列に行う。
Step S5
Apply Hadamard transform to 1-q bits. A control phase shift with an angle of 2π / 2 3 is applied to the 2nd-q bit and the 3rd-q bit, and SWAP is applied to these q bits. However, these operations are performed in parallel.
ステップS6
第1-qビットと第2-qビットに角度2π/22の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。
Step S6
A control phase shift with an angle of 2π / 2 2 is applied to the 1-q bit and the 2-q bit, and SWAP is applied to these q bits.
ステップS7
第1-qビットにアダマール変換を適用する。
Step S7
Apply Hadamard transform to 1-q bits.
ステップS8
第1-qビットと第2-qビットにSWAPを適用する。
Step S8
SWAP is applied to the first-q bits and the second-q bits.
ステップS9
第2-qビットと第3-qビットにSWAPを適用する。
Step S9
SWAP is applied to the 2nd-qth bit and the 3rd-qth bit.
ステップS10
第1-qビットと第2-qビットにSWAPを適用する。第3-qビットと第4-qビットにSWAPを適用する。ただし、これらの演算を並列に行う。
Step S10
SWAP is applied to the first-q bits and the second-q bits. SWAP is applied to the 3rd-qth bit and the 4th-qth bit. However, these operations are performed in parallel.
ステップS11
第2-qビットと第3-qビットにSWAPを適用する。
Step S11
SWAP is applied to the 2nd-qth bit and the 3rd-qth bit.
ステップS12
第1-qビットと第2-qビットにSWAPを適用する。
Step S12
SWAP is applied to the first-q bits and the second-q bits.
ステップS13
第4-qビットと第5-qビットに角度2π/22の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。
Step S13
A control phase shift of angle 2π / 2 2 is applied to the 4th-qth bit and the 5th-qth bit, and SWAP is further applied to these qbits.
ステップS14
第3-qビットと第4-qビットに角度2π/23の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。第5-qビットと第6-qビットに角度2π/23の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、これらの演算を並列に行う。
Step S14
A control phase shift with an angle of 2π / 2 3 is applied to the 3rd-qth bit and the 4th-qth bit, and SWAP is further applied to these qbits. A control phase shift with an angle of 2π / 2 3 is applied to the 5th-q bit and the 6th-q bit, and SWAP is applied to these q bits. However, these operations are performed in parallel.
ステップS15
第2-qビットと第3-qビットに角度2π/24の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。第4-qビットと第5-qビットに角度2π/24の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。第6-qビットと第7-qビットに角度2π/24の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、これらの演算を並列に行う。
Step S15
A control phase shift of angle 2π / 2 4 is applied to the 2nd-q bit and the 3rd-q bit, and SWAP is applied to these q bits. Apply the control phase shift of the angle 2 [pi / 2 4 to a 4-q-bit and the 5-q bits, to further apply SWAP to these q bits. A control phase shift with an angle of 2π / 2 4 is applied to the 6th-qth bit and the 7th-qth bit, and SWAP is applied to these q bits. However, these operations are performed in parallel.
ステップS16
第1-qビットと第2-qビットに角度2π/25の制御フェイズシフトを適用する。第3-qビットと第4-qビットに角度2π/25の制御フェイズシフトを適用する。第5-qビットと第6-qビットに角度2π/25の制御フェイズシフトを適用する。第7-qビットと第8-qビットに角度2π/25の制御フェイズシフトを適用する。ただし、これらの演算を並列に行う。
Step S16
A control phase shift with an angle of 2π / 25 is applied to the 1-q bit and the 2-q bit. A control phase shift of an angle 2π / 25 is applied to the 3rd-qth bit and the 4th-qth bit. A control phase shift of an angle 2π / 25 is applied to the 5th-qth bit and the 6th-qth bit. A control phase shift of an angle 2π / 25 is applied to the 7th-qth bit and the 8th-qth bit. However, these operations are performed in parallel.
ステップS17
第2-qビットと第3-qビットにSWAPを適用する。第4-qビットと第5-qビットにSWAPを適用する。第6-qビットと第7-qビットにSWAPを適用する。ただし、これらの演算を並列に行う。
Step S17
SWAP is applied to the 2nd-qth bit and the 3rd-qth bit. SWAP is applied to the 4th-qth bit and the 5th-qth bit. SWAP is applied to the 6th-qth bit and the 7th-qth bit. However, these operations are performed in parallel.
ステップS18
第3-qビットと第4-qビットにSWAPを適用する。第5-qビットと第6-qビットにSWAPを適用する。ただし、これらの演算を並列に行う。
Step S18
SWAP is applied to the 3rd-qth bit and the 4th-qth bit. SWAP is applied to the 5th-qth bit and the 6th-qth bit. However, these operations are performed in parallel.
ステップS19
第4-qビットと第5-qビットにSWAPを適用する。
Step S19
SWAP is applied to the 4th-qth bit and the 5th-qth bit.
ステップS20
第5-qビットにアダマール変換を適用する。
Step S20
Apply Hadamard transform to the 5th-qth bit.
ステップS21
第5-qビットと第6-qビットに角度2π/22の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。
Step S21
A control phase shift with an angle of 2π / 2 2 is applied to the 5th to qth bits and the 6th to qth bits, and SWAP is applied to these q bits.
ステップS22
第5-qビットにアダマール変換を適用する。第6-qビットと第7-qビットに角度2π/23の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、これらの演算を並列に行う。
Step S22
Apply Hadamard transform to the 5th-qth bit. A control phase shift with an angle of 2π / 2 3 is applied to the 6th-qth bit and the 7th-qth bit, and SWAP is applied to these qbits. However, these operations are performed in parallel.
ステップS23
第5-qビットと第6-qビットに角度2π/22の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。第7-qビットと第8-qビットに角度2π/24の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、これらの演算を並列に行う。
Step S23
A control phase shift with an angle of 2π / 2 2 is applied to the 5th to qth bits and the 6th to qth bits, and SWAP is applied to these q bits. A control phase shift with an angle of 2π / 2 4 is applied to the 7th-qth bit and the 8th-qth bit, and SWAP is applied to these q bits. However, these operations are performed in parallel.
ステップS24
第5-qビットにアダマール変換を適用する。第6-qビットと第7-qビットに角度2π/23の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。ただし、これらの演算を並列に行う。
Step S24
Apply Hadamard transform to the 5th-qth bit. A control phase shift with an angle of 2π / 2 3 is applied to the 6th-qth bit and the 7th-qth bit, and SWAP is applied to these qbits. However, these operations are performed in parallel.
ステップS25
第5-qビットと第6-qビットに角度2π/22の制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する。
Step S25
A control phase shift with an angle of 2π / 2 2 is applied to the 5th to qth bits and the 6th to qth bits, and SWAP is applied to these q bits.
ステップS26
第5-qビットにアダマール変換を適用する。
Step S26
Apply Hadamard transform to the 5th-qth bit.
ステップS27
第5-qビットと第6-qビットにSWAPを適用する。
Step S27
SWAP is applied to the 5th-qth bit and the 6th-qth bit.
ステップS28
第6-qビットと第7-qビットにSWAPを適用する。
Step S28
SWAP is applied to the 6th-qth bit and the 7th-qth bit.
ステップS29
第5-qビットと第6-qビットにSWAPを適用する。第7-qビットと第8-qビットにSWAPを適用する。ただし、これらの演算を並列に行う。
Step S29
SWAP is applied to the 5th-qth bit and the 6th-qth bit. SWAP is applied to the 7th-qth bit and the 8th-qth bit. However, these operations are performed in parallel.
ステップS30
第6-qビットと第7-qビットにSWAPを適用する。
Step S30
SWAP is applied to the 6th-qth bit and the 7th-qth bit.
ステップS31
第5-qビットと第6-qビットにSWAPを適用する。
Step S31
SWAP is applied to the 5th-qth bit and the 6th-qth bit.
〔量子演算装置〕
次に、本発明の量子回路に則って近似量子フーリエ変換を行う量子演算装置について説明する。本発明の量子演算装置は、本発明の量子回路から明らかなように、nより小さな数を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部、SWAP演算を行う量子演算部、あるいは従来的な量子回路(3)で量子フーリエ変換を行う量子演算部で構成される。さらに、これらの量子演算部は、1量子ビット演算を行う量子演算部および近傍2量子ビット演算を行う量子演算部からなる。つまり、本発明の量子回路に示した量子ゲートが、量子演算装置の量子演算部に相当する。
[Quantum arithmetic unit]
Next, a quantum arithmetic device that performs approximate quantum Fourier transform in accordance with the quantum circuit of the present invention will be described. As is apparent from the quantum circuit of the present invention, the quantum arithmetic device of the present invention includes a quantum arithmetic unit that performs a quantum Fourier transform modulo a number smaller than n, a quantum arithmetic unit that performs a SWAP operation, or a conventional quantum circuit. In (3), a quantum computation unit that performs quantum Fourier transform is used. Further, these quantum operation units include a quantum operation unit that performs a 1-qubit operation and a quantum operation unit that performs a neighboring 2-qubit operation. That is, the quantum gate shown in the quantum circuit of the present invention corresponds to the quantum operation unit of the quantum operation device.
量子演算装置は、量子コンピュータ単体で実現できる。量子コンピュータの実現する物理系としては、例えば、イオントラップを用いる方法(J. I. Cirac and P. Zoller, Quantum computations with cold trapped ions, Physical Review Letter 74;4091, 1995)、量子ビットとして光子の偏光や光路を用いる方法(Y. Nakamura, M. Kitagawa, K. Igeta, In 3-rd Proc. Asia-Pacific Phys. Comf., World Scientific, Singapore, 1988)、液体中の各スピンを用いる方法(Gershenfield, Chuang, Bulk spin resonance quantum computation, Science, 275;350, 1997)、シリコン結晶中の核スピンを用いる方法(B. E. Kane, A silicon-based nuclear spin quantum computer, Nature 393, 133, 1998)、量子ドット中の電子スピンを用いる方法(D. Loss and D. P. DiVincenzo, Quantum computation with quantum dots, Physical Review A 57, 120-126, 1998)、超伝導素子を用いる方法(Y. Nakamura, Yu. A. Pashkin and J. S. Tsai, Coherent control of macroscopic quantum states in a single-cooper pair box, Nature 393, 786-788, 1999)等を例示できる。また、それぞれの物理系に対する量子コンピュータの実現方法については、「http://www.ipa.go.jp/security/fy11/report/contents/crypto/crypto/report/QuantumComputers/contents/doc/qc_survey.pdf」や「M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press, Chapter 7 Physical Realization」に詳しい。
The quantum arithmetic unit can be realized by a single quantum computer. As physical systems realized by quantum computers, for example, methods using ion traps (JI Cirac and P. Zoller, Quantum computations with cold trapped ions, Physical Review Letter 74; 4091, 1995), photon polarization and optical path as qubits, etc. (Y. Nakamura, M. Kitagawa, K. Igeta, In 3-rd Proc. Asia-Pacific Phys. Comf., World Scientific, Singapore, 1988), a method using each spin in a liquid (Gershenfield, Chuang , Bulk spin resonance quantum computation, Science, 275; 350, 1997), a method using nuclear spins in silicon crystals (BE Kane, A silicon-based nuclear spin quantum computer, Nature 393, 133, 1998), in quantum dots Method using electron spin (D. Loss and DP DiVincenzo, Quantum computation with quantum dots, Physical Review A 57, 120-126, 1998), method using superconducting element (Y. Nakamura, Yu. A. Pashkin and JS Tsai , Coherent control of macroscopic quantum states in a single- cooper pair box, Nature 393, 786-788, 1999). For details on how to implement quantum computers for each physical system, see `` http://www.ipa.go.jp/security/fy11/report/contents/crypto/crypto/report/QuantumComputers/contents/doc/qc_survey. pdf "and" MA Nielsen and IL Chuang, Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press,
<量子ビット>
イオントラップ量子コンピュータでは、例えば、イオンの基底状態と励起状態を利用して量子ビットを実現する。また、核スピンを量子ビットとして用いる場合には、例えば、「T. D. Ladd, et al., "All-Silicon quantum computer," Phys. Rev. Lett., vol. 89, no. 1, 017901-1‐017901-4, July 1, 2002.」に記載されているようにSi(111)基板等に各量子ビットを生成する。なお、量子ビットの初期量子状態は、例えば、他の演算の量子回路による操作によって得られたものを用いてもよいし、各量子ビットが生成された基板をmK(ミリケルビン)オーダー以下に冷却してスピンの向きを揃えた後、所定の電磁波パルスを印加して生成してもよい。また、量子ビットとして光子の偏光を用いる場合には、例えば、パラメトリックダウンコンバージョン(PDC:parametric down conversion)(例えば、「P. G. Kwiat, K. Mattle, H. Weinfurter, A. Zeilinger, A. V. Sergienko, and Y. Shih, “New high-intensity source of polarization-entangled photon pairs,” Phys. Rev. Lett. ,75:4337-4341, 1995.」「P. G. Kwiat, E. Waks, A. G. White, I. Appelbaum, and P. H. Eberhard, “Ultrabright source of polarization-entangled photons,” Phys. Rev. A, 60:R773-R776, 1999.」等参照。)によって生成された複数個の単一光子を用いる。この場合、各量子ビットの初期量子状態は、例えば、他の演算の量子回路による操作によって得られたものを用いる。また、パラメトリックダウンコンバージョン等によって生成された単一光子に、ビームスプリッタや偏光回転素子等によって実現されるウォルシューアダマール変換、CNOT、回転等の操作を行い、上述の初期量子状態を生成することとしてもよい。
その他、上記の文献に記載された方法で量子ビットを用意することとしてもよい。
<Quantum bit>
In an ion trap quantum computer, for example, a quantum bit is realized by utilizing the ground state and excited state of ions. When nuclear spins are used as qubits, for example, “TD Ladd, et al.,“ All-Silicon quantum computer, ”Phys. Rev. Lett., Vol. 89, no. 1, 017901-1‐ [017901-4, July 1, 2002.], each qubit is generated on a Si (111) substrate or the like. The initial quantum state of the qubit may be, for example, one obtained by an operation by a quantum circuit for other operations, or the substrate on which each qubit is generated is cooled to the order of mK (millikelvin) or less. Then, after aligning the spin direction, a predetermined electromagnetic wave pulse may be applied and generated. When the polarization of a photon is used as a qubit, for example, parametric down conversion (PDC) (for example, “PG Kwiat, K. Mattle, H. Weinfurter, A. Zeilinger, AV Sergienko, and Y Shih, “New high-intensity source of polarization-entangled photon pairs,” Phys. Rev. Lett., 75: 4337-4341, 1995. “PG Kwiat, E. Waks, AG White, I. Appelbaum, and PH Eberhard, “Ultrabright source of polarization-entangled photons,” Phys. Rev. A, 60: R773-R776, 1999. ”) is used. In this case, as the initial quantum state of each qubit, for example, the one obtained by an operation by a quantum circuit of another operation is used. In addition, by performing operations such as Walsh Hadamard transform, CNOT, rotation, etc. realized by a beam splitter, a polarization rotation element, etc. on a single photon generated by parametric down conversion, etc., the above initial quantum state is generated. Also good.
In addition, it is good also as preparing a quantum bit by the method described in said literature.
また、演算前後や演算途中において量子ビットの量子状態を保存する必要がある場合には、例えば、量子ドット内の電子準位、核スピン、あるいは超伝導体内部の電荷(クーパー対)量を量子ビットとして用いてデータを保存する量子メモリ等を用いてもよい(A.Barenco, D.Deutsch, and A.Ekert, Phys. Rev. Lett.74,4083(1995)、松枝秀明 電子情報通信学会誌 A Vol.J81-A No.12(1998)1978、T.H.Oosterkamp et.al., Nature 395,873(1998)、D.Loss and D.P. DiVincenzo, Phys. Rev. A57(1998) 120. T.Oshima, quant-ph/0002004, http://arxiv.org/abs/quant-ph/0002004、B.E.Kane, A silicon-based nuclear spin quantum computer, Nature, 393, 133(1998)、http://www.snf.unsw.edu.au/、Y.Nakamura, Yu. A. Pashkin and J.S.Tsai, Nature 398(1999)768)。 In addition, when it is necessary to preserve the quantum state of the qubit before and after the operation, for example, the amount of electrons in the quantum dot, the nuclear spin, or the charge (Cooper pair) in the superconductor is quantized Quantum memories that store data using bits may be used (A. Barenco, D. Deutsch, and A. Ekert, Phys. Rev. Lett. 74, 4083 (1995), Hideaki Matsueda, Journal of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers) A Vol.J81-A No.12 (1998) 1978, THOosterkamp et.al., Nature 395,873 (1998), D. Loss and DP DiVincenzo, Phys. Rev. A57 (1998) 120. T. Oshima, quant- ph / 0002004, http://arxiv.org/abs/quant-ph/0002004, BEKane, A silicon-based nuclear spin quantum computer, Nature, 393, 133 (1998), http: //www.snf.unsw edu.au/, Y. Nakamura, Yu. A. Pashkin and JSTsai, Nature 398 (1999) 768).
<CNOT演算>
イオントラップ量子コンピュータでは、例えば、イオンを直線上に並べ、各イオンに狙いを定めたレーザービーム照射によってCNOT演算を実現する。また、量子ビットとして光子の偏光を用いる場合には、例えば、偏光ビームスプリッタ等を用い、「T.B. Pittman, M.J. Fitch, B.C. Jacobs, J.D. Franson: “Experimental Controlled-NOT Logic Gate for Single Photons in the Coincidence Basis,” quant-ph/0303095, http://arxiv.org/abs/quant-ph/0303095」記載のPittman et al. 方式によってCNOT演算を実現する。また、核スピンを量子ビットとして用いる場合には、例えば、所定の電磁波パルスを量子ビットに印加することによってCNOT演算を実現できる。
その他、上記の文献に記載された方法でCNOT演算を実現してもよい。
<CNOT operation>
In the ion trap quantum computer, for example, ions are arranged on a straight line, and CNOT calculation is realized by laser beam irradiation aiming at each ion. In addition, when using photon polarization as a qubit, for example, a polarization beam splitter or the like is used, and TB Pittman, MJ Fitch, BC Jacobs, JD Franson: “Experimental Controlled-NOT Logic Gate for Single Photons in the Coincidence Basis , “Quant-ph / 0303095, http://arxiv.org/abs/quant-ph/0303095”, the CNOT operation is realized by the Pittman et al. Method. When nuclear spin is used as a qubit, for example, a CNOT operation can be realized by applying a predetermined electromagnetic wave pulse to the qubit.
In addition, you may implement | achieve CNOT calculation by the method described in said literature.
<量子ビット単体操作>
イオントラップ量子コンピュータでは、例えば、イオンを直線上に並べ、各イオンに狙いを定めたレーザービーム照射によって量子ビット単体の操作を実現する。核スピンを量子ビットとして用いる場合には、電磁波パルスやレーザービーム照射によって各処理を実現する。また、量子ビットとして光子の偏光を用いる場合には、例えば、偏光回転素子等によって実現する。
<Single qubit operation>
In the ion trap quantum computer, for example, ions are arranged on a straight line, and the operation of a single qubit is realized by laser beam irradiation aimed at each ion. When nuclear spins are used as qubits, each processing is realized by electromagnetic pulse or laser beam irradiation. Moreover, when using the polarization of a photon as a qubit, it implement | achieves by a polarization rotation element etc., for example.
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。また、上述の各種の処理は、記載に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。 Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. The various processes described above are not only executed in time series according to the description, but may also be executed in parallel or individually as required by the processing capability of the apparatus that executes the processes.
ところで、本発明の量子回路に則って量子演算を行う手順自体は、古典コンピュータで決定することができる。
つまり、本発明の量子回路に則って量子演算を行う手順は、本発明の量子回路を入力側から出力側に向かって順に行う各計算ステップであるから、本発明の量子回路を構成した後、この量子回路の入力側から出力側に向かって順に行う各計算ステップを、量子演算を行う手順として決定できる。
By the way, the procedure itself for performing the quantum operation according to the quantum circuit of the present invention can be determined by a classical computer.
In other words, the procedure for performing the quantum operation in accordance with the quantum circuit of the present invention is each calculation step for sequentially performing the quantum circuit of the present invention from the input side toward the output side, so after configuring the quantum circuit of the present invention, Each calculation step performed in order from the input side to the output side of the quantum circuit can be determined as a procedure for performing the quantum operation.
具体的には、例えば図19で示した量子回路を例とすると、符号α1〜α6の各量子回路における量子演算を行う手順をそれぞれ決定し(この手順は、上述した符号α1〜α6の各量子回路の構成方法そのものである。ただし、符号α1およびα6の各量子回路については自己相似的に分解して繰り返しの構成となる。いずれにしても以上において説明したとおりである。)、さらに、角度2π/2t(t>m)の制御フェイズシフトを恒等変換に置換して、相殺されるSWAPの演算手順を除外し、各量子回路で決定された量子演算を行う手順を、完成した量子回路(この例では図22に相当する。)の入力側から出力側に向かって順に手順を並べることで、本発明の量子回路に則って量子演算を行う手順を決定できる。ただし、1計算ステップで並行演算可能であれば、これらの演算を並行するものを1手順とすればよい。
換言すれば、この古典コンピュータは、図27から図32に示したステップS1〜ステップS31の手順を決定して出力するものといえる。
Specifically, for example, taking the quantum circuit shown in FIG. 19 as an example, a procedure for performing a quantum operation in each quantum circuit of codes α1 to α6 is determined (this procedure is based on each quantum of codes α1 to α6 described above). However, the quantum circuits denoted by reference signs α1 and α6 are decomposed in a self-similar manner to be repeated in any case (as described above in any case). By replacing the control phase shift of 2π / 2 t (t> m) with the identity transformation, the procedure for performing the quantum operation determined by each quantum circuit is excluded, and the procedure for performing the quantum operation determined by each quantum circuit is excluded. By arranging the steps in order from the input side to the output side of the circuit (corresponding to FIG. 22 in this example), the procedure for performing the quantum operation in accordance with the quantum circuit of the present invention can be determined. However, if parallel calculation is possible in one calculation step, one procedure may be used to perform these calculations in parallel.
In other words, it can be said that this classical computer determines and outputs the procedure of steps S1 to S31 shown in FIGS.
このような古典コンピュータ、つまり、本発明の近似量子フーリエ変換を行う量子回路における量子演算の手順を決定する近似量子フーリエ変換演算手順決定装置は、いわゆる古典的な装置構成で実現される。例えばパーソナルコンピュータに例示されるように、記憶装置(例えばRAM、ROMやハードディスク)、演算処理装置(例えばCPU)、入力・出力装置(例えばキーボード、ディスプレイ)、これらの装置間でデータのやり取りが可能に接続するバスなどを備えた古典コンピュータによって実現することができる。
この場合、例えば図19の例で符号α1〜α6の各量子回路における量子演算を行う手順をそれぞれ決定するための各プログラム、角度2π/2t(t>m)の制御フェイズシフトを恒等変換に置換して、相殺されるSWAPの演算手順を除外するためのプログラム、各量子回路で決定された量子演算を行う手順を完成した量子回路(この例では図22に相当する。)の入力側から出力側に向かって順に手順を並べるためのプログラム記憶装置に記憶しておき、必要に応じて演算処理装置がプログラムを読み込んで解釈実行することで、符号α1〜α6の各量子回路における量子演算を行う手順をそれぞれ決定する各機能、角度2π/2t(t>m)の制御フェイズシフトを恒等変換に置換して、相殺されるSWAPの演算手順を除外する機能、各量子回路で決定された量子演算を行う手順を完成した量子回路の入力側から出力側に向かって順に手順を並べる機能を実現する。また各プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体(例えばCD−R、DVD−RAM、MO)に記録することもできる。
Such a classical computer, that is, an approximate quantum Fourier transform calculation procedure determination device for determining a quantum calculation procedure in a quantum circuit that performs the approximate quantum Fourier transform of the present invention is realized by a so-called classic device configuration. For example, as exemplified by a personal computer, a storage device (eg, RAM, ROM, hard disk), an arithmetic processing device (eg, CPU), an input / output device (eg, keyboard, display), and data can be exchanged between these devices. It can be realized by a classic computer equipped with a bus connected to the.
In this case, for example, in the example of FIG. 19, each program for determining the procedure for performing the quantum operation in each of the quantum circuits denoted by reference numerals α1 to α6, the control phase shift of the angle 2π / 2 t (t> m) is converted to the identity. The input side of the quantum circuit (corresponding to FIG. 22 in this example) that has completed the procedure for performing the quantum operation determined by each quantum circuit and the program for excluding the calculation procedure of SWAP to be canceled Is stored in a program storage device for arranging the steps in order from the output side to the output side, and the arithmetic processing device reads the program and interprets and executes it as necessary, whereby the quantum operation in each quantum circuit of codes α1 to α6 Each function for determining the procedure to perform the function, a function to replace the control phase shift of the angle 2π / 2 t (t> m) with the identity transformation and exclude the calculation procedure of the canceled SWAP The function of arranging the procedures in order from the input side to the output side of the quantum circuit that has completed the procedure for performing the quantum operation determined in each quantum circuit is realized. Each program can also be recorded on a computer-readable recording medium (for example, CD-R, DVD-RAM, MO).
本発明の利用分野としては、例えば、位相推定や量子暗号などに用いられる。 As a field of application of the present invention, for example, it is used for phase estimation and quantum cryptography.
1 近似量子フーリエ変換を行う量子回路 1 Quantum circuit that performs approximate quantum Fourier transform
Claims (3)
n個のqビットである第1-qビット、…、第n-qビットに対して、
nが偶数の場合、
《1》第1-qビットから第(n/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成し、
《2》g=2,…,n/2+1について、順に、第(n/2−g+2j)-qビットと第(n/2−g+2j+1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《3》g=n/2+2,…,nについて、順に、第(g−n/2+2j−2)-qビットと第(g−n/2+2j−1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《4》g=n,…,n/2+2について、順に、第(g−n/2+2j−2)-qビットと第(g−n/2+2j−1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《5》g=n/2+1,…,2について、順に、第(n/2−g+2j)-qビットと第(n/2−g+2j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《6》第(n/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成し、
nが奇数の場合、
パターン1またはパターン2のいずれかで、
(パターン1)
《1》第1-qビットから第((n+1)/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2(n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成し、
《2》g=2,…,(n+1)/2について、順に、第((n+1)/2−g+2j)-qビットと第((n+1)/2−g+2j+1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《3》g=(n+1)/2+1,…,nについて、順に、第(g−(n+1)/2+2j−2)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j−1)ビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《4》g=n,…,(n+1)/2+1について、順に、第(g−(n+1)/2+2j−2)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《5》g=(n+1)/2,…,2について、順に、第((n+1)/2−g+2j)-qビットと第((n+1)/2−g+2j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《6》第((n+1)/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2 (n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成し、
(パターン2)
《1》第1-qビットから第((n−1)/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2(n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成し、
《2》g=2,…,(n+1)/2について、順に、第((n+1)/2−g+2j−1)-qビットと第((n+1)/2−g+2j)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《3》g=(n+1)/2+1,…,nについて、順に、第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j)ビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《4》g=n,…,(n+1)/2+1について、順に、第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《5》g=(n+1)/2,…,2について、順に、第((n+1)/2−g+2j−1)-qビットと第((n+1)/2−g+2j)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP量子回路を構成し〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《6》第((n−1)/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2 (n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路を構成し、
n=1の場合、
第1-qビットにアダマール変換を適用する量子回路を構成し、
上記の手順で構成された量子回路において、2nより小さく2mより大きい数2Bを法とする量子フーリエ変換の量子回路については、このBを新たなnと看做して、上記の場合分けに従った手順で量子回路を構成し、
2m以下の数を法とする量子フーリエ変換を行う量子回路Aについては、
量子回路Aへ入力されるN個のqビットである第1-qビット、…、第N-qビットに対して、
《1》g=1,…,Nについて、順に、
g=1の場合、
第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子回路を構成し、
gが3以上の奇数の場合、
第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子回路を構成し、
第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは3からgまでの奇数とし、gごとに第1-qビットに対するアダマール変換および全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
gが偶数の場合、
第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《2》g=N−1,…,1について、順に、
g=1の場合、
第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子回路を構成し、
gが3以上の奇数の場合、
第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子回路を構成し、
第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは3からgまでの奇数とし、gごとに第1-qビットに対するアダマール変換および全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
gが偶数の場合、
第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行う量子回路とする。〕、
《3》g=1,…,N−1について、順に、
gが奇数の場合、
第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは1からgまでの奇数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行う量子回路とする。〕、
gが偶数の場合、
第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行う量子回路とする。〕、
《4》g=N−2,…,1について、順に、
gが奇数の場合、
第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは1からgまでの奇数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行う量子回路とする。〕、
gが偶数の場合、
第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行う量子回路を構成し〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行う量子回路とする。〕、
これまでの手順で構成された量子回路において、角度2π/2t(t>m)の制御フェイズシフトを恒等変換に置換し、
角度2π/2t(t=m)の制御フェイズシフトの直後のSWAPおよび恒等変換とされた制御フェイズシフトの直後のSWAPの各演算を行う量子回路Cと、上記SWAP量子回路において量子回路Cの鏡像対称の量子回路部分とを相殺して構成された
ことを特徴とする近似量子フーリエ変換を行う量子回路。 A quantum circuit that performs an approximate quantum Fourier transform modulo 2 n with an approximate threshold value being a positive integer m smaller than a positive integer n,
For the 1st-q bits, which are n q bits,..., the n-q bits,
If n is an even number,
<< 1 >> Construct a quantum circuit that performs quantum Fourier transform modulo 2 n / 2 composed of neighboring 2 qubit operations from 1-q bit to (n / 2) -q bit,
<< 2 >> For g = 2,..., N / 2 + 1, the control phase shift of angle 2π / 2 g is sequentially applied to the (n / 2−g + 2j) −q bit and the (n / 2−g + 2j + 1) −q bit. And a quantum circuit that performs an operation of applying SWAP to these q bits [where j = 1,..., G−1, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. And ],
<< 3 >> For g = n / 2 + 2,..., N, an angle of 2π / 2 g is formed in order from the (g−n / 2 + 2j−2) −q bit to the (g−n / 2 + 2j−1) −q bit. A quantum circuit that performs an operation of applying a control phase shift and applying SWAP to these q bits is configured [where j = 1,..., N + 1−g, and operations for all j are parallelized for each g. The quantum circuit is ],
<< 4 >> For g = n,..., N / 2 + 2, operations for applying SWAP to the (g−n / 2 + 2j−2) −q bits and the (g−n / 2 + 2j−1) −q bits in order are performed. A SWAP quantum circuit to be performed is configured [where j = 1,..., N + 1−g, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ],
<< 5 >> For g = n / 2 + 1,..., 2, a SWAP quantum circuit that performs an operation to apply SWAP to the (n / 2−g + 2j) −q bits and the (n / 2−g + 2j + 1) −q bits in order. [Where j = 1,..., G−1, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ],
<6> Construct a quantum circuit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 n / 2 composed of neighboring 2 qubit operations from the (n / 2 + 1) -q bit to the n-q bit,
If n is odd,
In either pattern 1 or pattern 2,
(Pattern 1)
<< 1 >> Constructs a quantum circuit that performs quantum Fourier transform modulo 2 (n + 1) / 2 , which is composed of neighboring 2 qubit operations, from 1-q bit to ((n + 1) / 2) -q bit And
<< 2 >> For g = 2,..., (N + 1) / 2, the angle is 2π / 2 in order of the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bit and the ((n + 1) / 2−g + 2j + 1) −q bit. A quantum circuit that performs an operation of applying a control phase shift of g and applying SWAP to these q bits is configured [where j = 1,..., g−1, and operations for all j are performed for each g. Is a quantum circuit that performs in parallel. ],
<< 3 >> With respect to g = (n + 1) / 2 + 1,..., N, the angle 2π between the (g− (n + 1) / 2 + 2j−2) −q bits and the (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) bits in order. / 2 A quantum circuit that performs an operation of applying a control phase shift of g and applying SWAP to these q bits is configured [where j = 1,..., N + 1−g, and for all j for each g A quantum circuit that performs the above operations in parallel. ],
<< 4 >> For g = n,..., (N + 1) / 2 + 1, in order, (g− (n + 1) / 2 + 2j−2) −q bits and (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) −q bits A SWAP quantum circuit that performs an operation applying SWAP is configured [where j = 1,..., N + 1−g, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ],
<< 5 >> For g = (n + 1) / 2,..., 2, SWAP is sequentially applied to the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits and the ((n + 1) / 2−g + 2j + 1) −q bits. A SWAP quantum circuit that performs an operation is configured [where j = 1,..., G−1, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ],
<< 6 >> Quantum circuit that performs quantum Fourier transform modulo 2 (n−1) / 2 , which is constituted by neighboring 2 qubit operations, for the ((n + 1) / 2 + 1) -q bits to the n-q bits Configure
(Pattern 2)
<< 1 >> For the 1st to qth bits to the ((n-1) / 2) -qth bit, a quantum Fourier transform modulo 2 (n-1) / 2 configured by neighboring 2 qubit operations is performed. Construct a quantum circuit,
<< 2 >> For g = 2,..., (N + 1) / 2, in order, the angle (2π) between the ((n + 1) / 2−g + 2j−1) −q bits and the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits. / 2 A quantum circuit that applies a control phase shift of g , and further performs an operation of applying SWAP to these q bits [provided that j = 1,..., G−1, for all j for each g A quantum circuit that performs the above operations in parallel. ],
<< 3 >> For g = (n + 1) / 2 + 1,..., N, the angle is 2π / 2 in order from the (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) −q bit and the (g− (n + 1) / 2 + 2j) bit. A quantum circuit that performs an operation of applying a control phase shift of g and applying SWAP to these q bits is configured [where j = 1,..., n + 1−g, and operations for all j are performed for each g. Is a quantum circuit that performs in parallel. ],
<< 4 >> For g = n,..., (N + 1) / 2 + 1, SWAP is sequentially applied to the (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) −q bits and the (g− (n + 1) / 2 + 2j) −q bits. A SWAP quantum circuit that performs an operation to be applied is configured [where j = 1,..., N + 1−g, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ],
<< 5 >> For g = (n + 1) / 2,..., 2, SWAP is sequentially applied to the ((n + 1) / 2−g + 2j−1) −q bits and the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits. A SWAP quantum circuit that performs an operation to be applied is configured [where j = 1,..., G−1, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ],
<< 6 >> Quantum circuit that performs quantum Fourier transform modulo 2 (n + 1) / 2 , which is constituted by neighboring 2 qubit operations, for the ((n-1) / 2 + 1) -q bits to the n-q bits Configure
If n = 1,
Construct a quantum circuit that applies the Hadamard transform to the 1-q bits;
In the quantum circuit constituted by the above procedure, for the quantum circuit of the quantum Fourier transform modulo the number 2 B smaller than 2 n and larger than 2 m , this B is regarded as a new n, and the above case Configure the quantum circuit with the procedure according to the division,
For quantum circuit A that performs quantum Fourier transform modulo a number of 2 m or less,
For the first q bits, which are N q bits input to the quantum circuit A,.
<< 1 >> For g = 1,...
When g = 1
Construct a quantum circuit that performs an operation applying the Hadamard transform to the 1-q bits,
If g is an odd number greater than 3,
Construct a quantum circuit that performs an operation applying the Hadamard transform to the 1-q bits,
A quantum circuit that performs an operation of applying a control phase shift of an angle 2π / 2 j to the (j−1) -q-th bit and the j-q-th bit, and further applying SWAP to these q-bits is configured. j is an odd number from 3 to g, and for each g, a Hadamard transform for the first -q bits and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel. ],
If g is an even number,
A quantum circuit that performs an operation of applying a control phase shift of an angle 2π / 2 j to the (j−1) -q-th bit and the j-q-th bit, and further applying SWAP to these q-bits is configured. j is an even number from 2 to g, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ],
<< 2 >> For g = N−1,.
When g = 1
Construct a quantum circuit that performs an operation applying the Hadamard transform to the 1-q bits,
If g is an odd number greater than 3,
Construct a quantum circuit that performs an operation applying the Hadamard transform to the 1-q bits,
A quantum circuit that performs an operation of applying a control phase shift of an angle 2π / 2 j to the (j−1) -q-th bit and the j-q-th bit, and further applying SWAP to these q-bits is configured. j is an odd number from 3 to g, and for each g, a Hadamard transform for the first -q bits and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel. ],
If g is an even number,
A quantum circuit that performs an operation of applying a control phase shift of an angle 2π / 2 j to the (j−1) -q-th bit and the j-q-th bit, and further applying SWAP to these q-bits is configured. j is an even number from 2 to g, and a quantum circuit that performs operations for all j in parallel for each g. ],
<< 3 >> For g = 1,..., N−1,
If g is odd,
A quantum circuit that performs an operation applying SWAP to the j-qth bit and the (j + 1) -q-th bit is configured [where j is an odd number from 1 to g, and SWAPs for all j are parallelized for each g. The quantum circuit is ],
If g is an even number,
A quantum circuit that performs an operation of applying SWAP to the j-qth bit and the (j + 1) -q-th bit is configured [where j is an even number from 2 to g, and SWAPs for all j are parallelized for each g. The quantum circuit is ],
<< 4 >> For g = N−2,.
If g is odd,
A quantum circuit that performs an operation applying SWAP to the j-qth bit and the (j + 1) -q-th bit is configured [where j is an odd number from 1 to g, and SWAPs for all j are parallelized for each g. The quantum circuit is ],
If g is an even number,
A quantum circuit that performs an operation of applying SWAP to the j-qth bit and the (j + 1) -q-th bit is configured [where j is an even number from 2 to g, and SWAPs for all j are parallelized for each g. The quantum circuit is ],
In the quantum circuit configured by the procedure so far, the control phase shift of the angle 2π / 2 t (t> m) is replaced with the identity transformation,
Quantum circuit C that performs each operation of SWAP immediately after the control phase shift of the angle 2π / 2 t (t = m) and SWAP immediately after the control phase shift determined to be the identity transformation, and in the SWAP quantum circuit, the quantum circuit C A quantum circuit for performing an approximate quantum Fourier transform, which is configured by canceling out a mirror image symmetrical quantum circuit portion of
入力された第1-qビットの状態|bn−1〉,…,第n-qビットの状態|b0〉に対して近似量子フーリエ変換を行う
ことを特徴とする近似量子フーリエ変換演算方法。 According to the quantum circuit that performs the approximate quantum Fourier transform according to claim 1,
Approximate quantum Fourier transform operation method, comprising performing approximate quantum Fourier transform on input 1-q-bit state | b n-1 >,..., N-q-bit state | b 0 >. .
nが偶数の場合、
《1》第1-qビットから第(n/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部を備え、
《2》g=2,…,n/2+1について、順に、第(n/2−g+2j)-qビットと第(n/2−g+2j+1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《3》g=n/2+2,…,nについて、順に、第(g−n/2+2j−2)-qビットと第(g−n/2+2j−1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《4》g=n,…,n/2+2について、順に、第(g−n/2+2j−2)-qビットと第(g−n/2+2j−1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《5》g=n/2+1,…,2について、順に、第(n/2−g+2j)-qビットと第(n/2−g+2j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《6》第(n/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2n/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部を備え、
nが奇数の場合、
パターン1またはパターン2のいずれかで、
(パターン1)
《1》第1-qビットから第((n+1)/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2(n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部を備え、
《2》g=2,…,(n+1)/2について、順に、第((n+1)/2−g+2j)-qビットと第((n+1)/2−g+2j+1)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《3》g=(n+1)/2+1,…,nについて、順に、第(g−(n+1)/2+2j−2)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j−1)ビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《4》g=n,…,(n+1)/2+1について、順に、第(g−(n+1)/2+2j−2)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《5》g=(n+1)/2,…,2について、順に、第((n+1)/2−g+2j)-qビットと第((n+1)/2−g+2j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《6》第((n+1)/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2 (n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部を備え、
(パターン2)
《1》第1-qビットから第((n−1)/2)-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2(n−1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部を備え、
《2》g=2,…,(n+1)/2について、順に、第((n+1)/2−g+2j−1)-qビットと第((n+1)/2−g+2j)-qビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《3》g=(n+1)/2+1,…,nについて、順に、第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j)ビットに角度2π/2gの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《4》g=n,…,(n+1)/2+1について、順に、第(g−(n+1)/2+2j−1)-qビットと第(g−(n+1)/2+2j)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、j=1,…,n+1−gとし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《5》g=(n+1)/2,…,2について、順に、第((n+1)/2−g+2j−1)-qビットと第((n+1)/2−g+2j)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、j=1,…,g−1とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《6》第((n−1)/2+1)-qビットから第n-qビットまでについて、近傍2量子ビット演算で構成した2 (n+1)/2を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部を備え、
n=1の場合、
第1-qビットにアダマール変換を適用する量子演算部を備え、
上記の手順で構成された量子演算装置において、2nより小さく2mより大きい数2Bを法とする量子フーリエ変換の量子演算部については、このBを新たなnと看做して、上記の場合分けに従った手順で量子演算部を構成し、
2m以下の数を法とする量子フーリエ変換を行う量子演算部Dについては、
量子演算部Dへ入力されるN個のqビットである第1-qビット、…、第N-qビットに対して、
《1》g=1,…,Nについて、順に、
g=1の場合、
第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子演算部を備え、
gが3以上の奇数の場合、
第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子演算部を備え、
第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、jは3からgまでの奇数とし、gごとに第1-qビットに対するアダマール変換および全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
gが偶数の場合、
第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《2》g=N−1,…,1について、順に、
g=1の場合、
第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子演算部を備え、
gが3以上の奇数の場合、
第1-qビットにアダマール変換を適用する演算を行う量子演算部を備え、
第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、jは3からgまでの奇数とし、gごとに第1-qビットに対するアダマール変換および全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
gが偶数の場合、
第(j−1)-qビットと第j-qビットに角度2π/2jの制御フェイズシフトを適用し、さらにこれらのqビットにSWAPを適用する演算を行う量子演算部を備え〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについての演算を並列に行うものとする。〕、
《3》g=1,…,N−1について、順に、
gが奇数の場合、
第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、jは1からgまでの奇数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行うものとする。〕、
gが偶数の場合、
第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行うものとする。〕、
《4》g=N−2,…,1について、順に、
gが奇数の場合、
第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、jは1からgまでの奇数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行うものとする。〕、
gが偶数の場合、
第j-qビットと第(j+1)-qビットにSWAPを適用する演算を行うSWAP演算部を備え〔ただし、jは2からgまでの偶数とし、gごとに全てのjについてのSWAPを並列に行うものとする。〕、
以上に従って構成された近似量子フーリエ変換演算装置において、角度2π/2t(t>m)の制御フェイズシフトを行う量子演算部を、恒等変換を行う量子演算部に置換し、
角度2π/2t(t=m)の制御フェイズシフトの直後のSWAPおよび恒等変換とされた制御フェイズシフトの直後のSWAPの各演算を行う量子演算部Eと、上記SWAP演算部において量子演算部Eの鏡像対称の量子演算部とを備えずに構成された
ことを特徴とする近似量子フーリエ変換演算装置。 1st-q bits which are n q bits to be operated by an approximate quantum Fourier transform arithmetic unit that performs an approximate quantum Fourier transform using an approximate threshold as a positive integer m smaller than a positive integer n and modulo 2 n ..., for the n-qth bits,
If n is an even number,
<< 1 >> A quantum operation unit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 n / 2 configured by neighborhood 2 qubit operations from the 1-q bit to the (n / 2) -q bits,
<< 2 >> For g = 2,..., N / 2 + 1, the control phase shift of angle 2π / 2 g is sequentially applied to the (n / 2−g + 2j) −q bit and the (n / 2−g + 2j + 1) −q bit. And a quantum operation unit that performs an operation of applying SWAP to these q bits [where j = 1,..., G−1, and operations for all j are performed in parallel for each g. To do. ],
<< 3 >> For g = n / 2 + 2,..., N, an angle of 2π / 2 g is formed in order from the (g−n / 2 + 2j−2) −q bit to the (g−n / 2 + 2j−1) −q bit. A quantum operation unit that applies a control phase shift and further performs an operation of applying SWAP to these q bits is provided [where j = 1,..., N + 1−g, and operations for all j are parallelized for each g. Shall be performed. ],
<< 4 >> For g = n,..., N / 2 + 2, operations for applying SWAP to the (g−n / 2 + 2j−2) −q bits and the (g−n / 2 + 2j−1) −q bits in order are performed. SWAP operation section to perform is provided [where j = 1,..., N + 1−g, and operations for all j are performed in parallel for each g. ],
<< 5 >> For g = n / 2 + 1,..., 2, a SWAP operation unit that performs operations to apply SWAP to the (n / 2−g + 2j) −q bits and the (n / 2−g + 2j + 1) −q bits in order. [Where j = 1,..., G−1, and operations for all j are performed in parallel for each g. ],
<< 6 >> A quantum operation unit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 n / 2 configured by neighboring 2 qubit operations for the (n / 2 + 1) -q bits to the n-q bits,
If n is odd,
In either pattern 1 or pattern 2,
(Pattern 1)
<< 1 >> A quantum operation unit that performs a quantum Fourier transform modulo 2 (n + 1) / 2 composed of neighboring 2-qubit operations from the 1-q bit to the ((n + 1) / 2) -q bits Prepared,
<< 2 >> For g = 2,..., (N + 1) / 2, the angle is 2π / 2 in order of the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bit and the ((n + 1) / 2−g + 2j + 1) −q bit. a quantum operation unit that applies a control phase shift of g , and further performs an operation of applying SWAP to these q bits [where j = 1,..., g−1, and operations for all j for each g Are performed in parallel. ],
<< 3 >> With respect to g = (n + 1) / 2 + 1,..., N, an angle 2π between the (g− (n + 1) / 2 + 2j−2) −q bits and the (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) bits in order. / 2 A quantum operation unit that applies a control phase shift of g and further performs an operation of applying SWAP to these q bits [provided that j = 1,..., N + 1−g, and for every j for each g Are performed in parallel. ],
<< 4 >> For g = n,..., (N + 1) / 2 + 1, in order, (g− (n + 1) / 2 + 2j−2) −q bits and (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) −q bits A SWAP operation unit that performs an operation applying SWAP is provided [where j = 1,..., N + 1−g, and operations for all j are performed in parallel for each g. ],
<< 5 >> For g = (n + 1) / 2,..., 2, SWAP is sequentially applied to the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits and the ((n + 1) / 2−g + 2j + 1) −q bits. A SWAP calculation unit for performing calculations is provided [where j = 1,..., G−1, and calculations for all j are performed in parallel for each g. ],
<< 6 >> Quantum operation for performing quantum Fourier transform modulo 2 (n-1) / 2 composed of neighboring 2 qubit operations from the ((n + 1) / 2 + 1) -q bits to the n-q bits Part
(Pattern 2)
<< 1 >> For the 1st to qth bits to the ((n-1) / 2) -qth bit, a quantum Fourier transform modulo 2 (n-1) / 2 configured by neighboring 2 qubit operations is performed. It has a quantum operation part,
<< 2 >> For g = 2,..., (N + 1) / 2, in order, the angle (2π) between the ((n + 1) / 2−g + 2j−1) −q bits and the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits. / 2 A quantum operation unit that applies a control phase shift of g and further performs an operation of applying SWAP to these q bits [provided that j = 1,..., G−1, for all j for each g. Are performed in parallel. ],
<< 3 >> For g = (n + 1) / 2 + 1,..., N, the angle is 2π / 2 with the (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) −q bits and the (g− (n + 1) / 2 + 2j) bits in order. a quantum operation unit that applies a control phase shift of g , and further performs an operation of applying SWAP to these q bits [provided that j = 1,..., n + 1−g, and operations for all j for each g Are performed in parallel. ],
<< 4 >> For g = n,..., (N + 1) / 2 + 1, SWAP is sequentially applied to the (g− (n + 1) / 2 + 2j−1) −q bits and the (g− (n + 1) / 2 + 2j) −q bits. A SWAP operation unit that performs an operation to be applied is provided [where j = 1,..., N + 1−g, and operations for all j are performed in parallel for each g. ],
<< 5 >> For g = (n + 1) / 2,..., 2, SWAP is sequentially applied to the ((n + 1) / 2−g + 2j−1) −q bits and the ((n + 1) / 2−g + 2j) −q bits. A SWAP operation unit that performs an operation to be applied is provided [where j = 1,..., G−1, and operations for all j are performed in parallel for each g. ],
<< 6 >> Quantum operation for performing quantum Fourier transform modulo 2 (n + 1) / 2 composed of neighboring 2 qubit operations from the ((n-1) / 2 + 1) -q bits to the n-q bits Part
If n = 1,
A quantum operation unit that applies Hadamard transform to the 1-q bits;
In the quantum arithmetic device configured in the above procedure, regarding the quantum arithmetic unit of the quantum Fourier transform modulo the number 2 B smaller than 2 n and larger than 2 m , this B is regarded as a new n, Configure the quantum operation unit according to the procedure according to
For the quantum operation unit D that performs the quantum Fourier transform modulo 2 m or less,
For the 1st to qth bits, which are N q bits input to the quantum operation unit D,...
<< 1 >> For g = 1,...
When g = 1
A quantum operation unit that performs an operation applying Hadamard transform to the 1-q bits;
If g is an odd number greater than 3,
A quantum operation unit that performs an operation applying Hadamard transform to the 1-q bits;
A quantum operation unit that applies a control phase shift of an angle 2π / 2 j to the (j−1) -q-th bit and the j-q-th bit, and further performs an operation to apply SWAP to these q-bits, It is assumed that j is an odd number from 3 to g, and the Hadamard transform for the 1-q bits and the operation for all j are performed in parallel for each g. ],
If g is an even number,
A quantum operation unit that applies a control phase shift of an angle 2π / 2 j to the (j−1) -q-th bit and the j-q-th bit, and further performs an operation to apply SWAP to these q-bits, It is assumed that j is an even number from 2 to g, and operations for all j are performed in parallel for each g. ],
<< 2 >> For g = N−1,.
When g = 1
A quantum operation unit that performs an operation applying Hadamard transform to the 1-q bits;
If g is an odd number greater than 3,
A quantum operation unit that performs an operation applying Hadamard transform to the 1-q bits;
A quantum operation unit that applies a control phase shift of an angle 2π / 2 j to the (j−1) -q-th bit and the j-q-th bit, and further performs an operation to apply SWAP to these q-bits, It is assumed that j is an odd number from 3 to g, and the Hadamard transform for the 1-q bits and the operation for all j are performed in parallel for each g. ],
If g is an even number,
A quantum operation unit that applies a control phase shift of an angle 2π / 2 j to the (j−1) -q-th bit and the j-q-th bit, and further performs an operation to apply SWAP to these q-bits, It is assumed that j is an even number from 2 to g, and operations for all j are performed in parallel for each g. ],
<< 3 >> For g = 1,..., N−1,
If g is odd,
A SWAP operation unit that performs an operation to apply SWAP to the j-qth bit and the (j + 1) -q-th bit [where j is an odd number from 1 to g, and SWAPs for all j are parallelized for each g Shall be performed. ],
If g is an even number,
A SWAP operation unit that performs an operation to apply SWAP to the j-qth bit and the (j + 1) -q-th bit [where j is an even number from 2 to g, and SWAP for all j is parallelized for each g Shall be performed. ],
<< 4 >> For g = N−2,.
If g is odd,
A SWAP operation unit that performs an operation to apply SWAP to the j-qth bit and the (j + 1) -q-th bit [where j is an odd number from 1 to g, and SWAPs for all j are parallelized for each g Shall be performed. ],
If g is an even number,
A SWAP operation unit that performs an operation to apply SWAP to the j-qth bit and the (j + 1) -q-th bit [where j is an even number from 2 to g, and SWAPs for all j are parallelized for each g Shall be performed. ],
In the approximate quantum Fourier transform operation device configured according to the above, a quantum operation unit that performs a control phase shift of an angle 2π / 2 t (t> m) is replaced with a quantum operation unit that performs identity conversion,
Quantum operation unit E for performing each operation of SWAP immediately after the control phase shift of angle 2π / 2 t (t = m) and SWAP immediately after the control phase shift assumed to be the identity transformation, and the quantum operation in the SWAP operation unit An approximate quantum Fourier transform arithmetic apparatus characterized in that it is configured without the mirror image symmetry quantum arithmetic part of the part E.
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